Des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences (CAS) ont développé une cellule solaire tandem à quatre bornes, composée d'une cellule supérieure en pérovskite à large bande interdite et d'une cellule inférieure en cuivre-indium-gallium-sélénium (CIGS), et ont résolu le problème de stabilité des matériaux pérovskites à large bande interdite grâce à une ingénierie de coordination. Le dispositif tandem conserve plus de 91 % de son rendement initial après 2 000 heures de fonctionnement continu, avec un rendement global de 29,71 %.
La couche d'absorption en pérovskite à large bande interdite est confrontée depuis longtemps à une dégradation des performances due à la séparation de phase induite par la lumière et à la migration des ions halogénures. L'équipe de recherche a souligné que les défauts de plomb sous-coordonné et les lacunes d'halogénures associées sont les facteurs clés de l'instabilité — ces défauts agissent non seulement comme des centres de recombinaison, perturbant l'environnement cristallin local, mais fournissent également des canaux pour la migration des ions halogénures. Bien que les stratégies de passivation post-traitement traditionnelles puissent réduire certains défauts après la cristallisation, leur contrôle sur la formation des défauts pendant la croissance du film est limité, et la ségrégation des halogénures induite par la lumière reste difficile à supprimer lors d'un fonctionnement à long terme.
Pour cela, les chercheurs ont utilisé un composé organique soufré, le bis(2-pyridylméthyl)sulfure (2PyS), pour ajuster finement l'environnement de coordination local des ions plomb (Pb) dans la couche de pérovskite. L'affinité de liaison du 2PyS avec l'iodure de plomb (PbI₂) est plus élevée que celle des solvants couramment utilisés, le diméthylformamide (DMF) et le diméthylsulfoxyde (DMSO), ce qui permet de réguler plus efficacement l'environnement de coordination des ions plomb pendant la formation de la pérovskite, influençant ainsi le processus de cristallisation. Des mesures de photoluminescence in situ ont montré que le 2PyS peut moduler la cinétique de cristallisation, inhiber la nucléation rapide et favoriser une croissance de film plus uniforme, réduisant finalement la recombinaison non radiative et renforçant l'intégrité structurelle et la stabilité de phase.
La cellule supérieure en pérovskite comprend une électrode avant en oxyde d'indium-étain (ITO), une couche de transport de trous en oxyde de nickel (NiOx), une couche d'interface à monocouche auto-assemblée (SAM), la couche d'absorption en pérovskite, une couche de transport d'électrons en fullerène C60, une couche tampon en oxyde d'étain (SnO₂), une électrode transparente en ITO et un contact métallique en argent (Ag). La sous-cellule inférieure en CIGS est constituée d'une électrode arrière en molybdène (Mo), d'une couche d'absorption en CIGS, d'une couche tampon en sulfure de cadmium (CdS) et d'une couche fenêtre à base d'oxyde de zinc (oxyde de zinc intrinsèque i-ZnO et oxyde de zinc dopé à l'aluminium Al:ZnO).
Les résultats des tests montrent que la sous-cellule CIGS indépendante atteint un rendement de conversion de puissance de 19,65 % sous éclairage à spectre complet ; lorsqu'elle fonctionne sous la cellule supérieure en pérovskite semi-transparente, le rendement de la sous-cellule chute à 7,5 % en raison de la réduction de la lumière incidente disponible causée par le filtrage spectral. Le rendement de la cellule supérieure est de 22,21 %, et le rendement total du dispositif tandem intégré à quatre bornes (4T) atteint 29,71 %. L'équipe de recherche a indiqué qu'il s'agit de l'un des rendements les plus élevés jamais rapportés pour les cellules solaires tandem pérovskite/CIGS à quatre bornes.
Les résultats ont été publiés dans IPOScience sous le titre « Coordination-regulated defect suppression enables stable wide-bandgap perovskites for efficient perovskite/CIGS tandem solar cells ».