Les cellules solaires à pérovskite classiques (PSC) — qui placent la couche de transport d’électrons sous l’absorbeur en pérovskite et la couche de transport de trous au-dessus — présentent des limites en matière de fabrication à grande échelle et de stabilité. En revanche, les PSC inversées — qui inversent les positions des couches de transport d’électrons et de trous — offrent un potentiel de conversion de puissance élevé et une bonne compatibilité avec les techniques de traitement en solution évolutives, ce qui en fait une technologie photovoltaïque prometteuse.
Malheureusement, les performances et la stabilité à long terme des PSC inversées ont longtemps été limitées par des structures microscopiques non régulées et des défauts électroniques à l’interface inférieure critique, définie comme l’interface enterrée, où la couche de pérovskite est en contact avec la couche de transport de trous.
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche de l’Institut de bioénergie et de bioprocédés de Qingdao (QIBEBT) de l’Académie chinoise des sciences a développé une méthode de pré-ensemencement par cristal-solvate (CSV) qui permet une régulation précise de l’interface inférieure, ouvrant la voie au développement de modules photovoltaïques à pérovskite à haute efficacité et de grande surface.
La nouvelle méthode consiste à pré-déposer des graines de cristal-solvate d’halogénure de faible dimension conçues sur mesure — avec la formule chimique PDPbI4·DMSO — sur des substrats modifiés par une monocouche auto-assemblée (SAM). Ces nanocristaux CSV servent de modèle structurel pour la croissance ultérieure des cristaux de pérovskite.
Les nanocristaux CSV anisotropes en forme de bâtonnet améliorent considérablement la mouillabilité de la surface hydrophobe du SAM, garantissant une répartition uniforme de la solution précurseur de pérovskite. Notamment, pendant le processus de cristallisation, ces nanocristaux pré-ensemencés servent de sites de nucléation hétérogène abondants, accélérant ainsi efficacement la formation des cristaux de pérovskite.
Une innovation centrale de la stratégie réside dans les molécules de solvant diméthylsulfoxyde (DMSO) enfermées dans la structure cristalline CSV. Pendant le recuit thermique, ces molécules sont libérées de manière contrôlée, créant un nouveau micro-environnement de « recuit par solvant confiné dans le réseau » à l’interface inférieure. Cette atmosphère de solvant in situ douce facilite la réorganisation et la croissance des grains, formant un effet synergique avec la cristallisation induite par les graines.
« Nous avons développé une approche intégrée qui aborde simultanément la régulation de la cristallisation et la stabilisation de l’interface », a déclaré le Dr SUN Xiuhong, co-premier auteur de l’étude. « Cette stratégie offre de bonnes performances même aux interfaces enterrées, qui sont notoirement difficiles à contrôler avec précision. »
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La nouvelle technologie élimine les vides interfaciaux et lisse les rainures des joints de grains, tout en produisant finalement une région dense et hautement orientée du film de pérovskite (la « couche inférieure » de pérovskite) avec des propriétés électroniques et une stabilité photothermique nettement améliorées.
De plus, l’équipe a intégré la stratégie de pré-ensemencement CSV avec un procédé de revêtement par fente, fabriquant avec succès un mini-module solaire à pérovskite d’une surface d’ouverture de 49,91 cm² qui atteint un rendement de conversion de puissance élevé de 23,15 %. Important : la perte de rendement entre les cellules de petite surface et le mini-module est inférieure à 3 % — un chiffre qui surpasse de nombreux résultats précédemment rapportés.
« Cette technologie surmonte le goulot d’étranglement de mise à l’échelle de longue date causé par les effets de taille grâce à la combinaison de la cristallisation induite et de la restauration de l’interface enterrée », a expliqué le Pr PANG Shuping. « Au-delà de son application directe dans le photovoltaïque à pérovskite, le concept de pré-ensemencement par cristal-solvate établit une plateforme matérielle polyvalente : en ajustant les cations organiques et les molécules de solvant, une bibliothèque diversifiée de matériaux CSV peut être conçue, ouvrant un nouveau paradigme pour l’ingénierie des interfaces dans le photovoltaïque à pérovskite et d’autres dispositifs optoélectroniques à semi-conducteurs à réseau mou. »
Journal : Nature Synthesis – DOI : Lien vers l’étude
Source : CAS
