fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche internationale a développé un nouveau procédé de cristallisation à température ambiante, appelé coulée à froid sélective d’iodoplombate (SICC), pour fabriquer des cellules solaires et des modules à pérovskite présentant une structure hétérojonction 2D/3D, ce qui améliorerait la stabilité et l’efficacité des dispositifs.
Les cellules à pérovskite 2D traditionnelles sont plus stables que les dispositifs 3D grâce à la protection des ligands organiques, mais présentent une énergie de liaison excitonique plus élevée. L’auteur correspondant, Aditya D. Mohite de l’Université Rice, a déclaré au magazine pv magazine : « Nous avons développé une nouvelle méthode de cristallisation à température ambiante, appelée coulée à froid sélective d’iodoplombate (SICC), qui permet d’obtenir des phases de pérovskite cinétiquement stables, inaccessibles par les procédés thermodynamiques traditionnels. » Cette stratégie produit des couches 2D uniformes, améliore le transport de charge hors plan dans les dispositifs bicouches 3D:2D, atteignant une efficacité de plus de 25 % dans les cellules de petite surface et de plus de 22 % dans les modules photovoltaïques de grande surface.
L’étude a été publiée dans Nature Synthesis, sous le titre « Coulée à froid sélective d’iodoplombate pour obtenir des pérovskites cinétiquement stables et des modules photovoltaïques à haut rendement ». Les chercheurs indiquent que le SICC, en contrôlant la chimie des précurseurs par la conception du solvant, permet d’obtenir des structures cristallines de pérovskite de basse dimensionnalité inhabituelles, notamment la phase ondulée MA₂PbI₄, difficile à obtenir dans les systèmes à base de méthylammonium. « Le procédé SICC forme sélectivement des espèces d’iodoplombate simplifiées, permettant une cristallisation rapide et d’une grande pureté de phase sans recuit thermique », ajoute Mohite. En mélangeant des solvants ayant différents nombres donneurs, comme l’acétonitrile et la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), l’équipe a favorisé sélectivement la formation d’espèces d’iodoplombate.
Contrairement aux pérovskites 2D traditionnelles à faible valeur n, dont les performances sont limitées par un alignement isolant, les films SICC offrent un transport vertical efficace des porteurs et un alignement de bande favorable avec la pérovskite 3D. « La couche 2D cultivée par SICC améliore considérablement la qualité et l’uniformité de l’hétérostructure 3D:2D, ce qui augmente l’efficacité, réduit l’hystérésis et améliore la stabilité opérationnelle », souligne Mohite.
Sur la base de cette technologie, les chercheurs ont développé des cellules solaires à pérovskite d’une surface active de 0,094 cm², avec une structure comprenant un substrat en oxyde d’étain dopé au fluor (FTO), une couche de transport d’électrons (ETL) en oxyde d’étain (SnO₂), une couche absorbante en pérovskite 3D, une couche de pérovskite 2D, une couche de transport de trous (HTL) à base de Spiro-OMeTAD et une électrode en or (Au). La structure bicouche 3D/2D est formée en intégrant une couche de pérovskite 2D d’iodure de butylammonium et de plomb (BA₂PbI₄) par un procédé de croissance planaire à l’état solide, la bicouche étant pressée sous une pression de 60 MPa et à des températures comprises entre 60 °C et 85 °C.
Pour passer à l’échelle supérieure, l’équipe a fabriqué des mini-modules sur des substrats de 7,1 cm × 7,1 cm, chaque module étant composé de 10 sous-cellules interconnectées en monolithique, avec une surface active de 25 cm². L’interconnexion a été réalisée par gravure laser P1, P2 et P3 à l’aide d’un laser picoseconde de 532 nm, avec des largeurs de gravure respectives de 25 μm, 120 μm et 110 μm, le procédé de motif optimisé permettant d’atteindre un facteur de remplissage géométrique de 94,36 %. Les dispositifs ont été testés sous un éclairage standard AM1.5G à 100 mW/cm², avec un rendement de conversion de puissance de 25,14 % pour les cellules de petite surface et de 22,36 % pour les mini-modules de 25 cm². Lors des tests de stabilité, les modules encapsulés avec une résine durcissable aux UV et un couvercle en verre de 1,1 mm d’épaisseur ont conservé plus de 90 % de leurs performances initiales pendant plus de 1 000 heures sous un fonctionnement continu à un soleil.
Mohite conclut : « Nos résultats montrent que les pérovskites de basse dimensionnalité doivent être comprises et conçues comme des produits cinétiques, et non comme des matériaux purement thermodynamiques. Notre travail offre une voie évolutive pour intégrer des pérovskites stables de basse dimensionnalité dans les modules solaires de nouvelle génération à haut rendement et les photovoltaïques tandem. »
Les institutions participant à cette étude comprennent l’Université nationale de Séoul (Seoul National University), l’Institut coréen de technologie industrielle (Korea Institute of Industrial Technology), la start-up coréenne de pérovskite Frontier Energy Solution (FES), l’Université Rice (Rice University) et l’Université Northwestern (Northwestern University) aux États-Unis, ainsi que l’Institut Fonctions Optiques pour les Technologies de l’Information (FOTON) en France.
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