Les cellules solaires à pérovskite aux halogénures métalliques (PSC) ont accompli des progrès phénoménaux au cours de la dernière décennie, avec des rendements de conversion de puissance (PCE) dépassant 26 % pour les formulations 3D. Cependant, leur déploiement commercial rapide continue d’être entravé par des instabilités environnementales intrinsèques, telles que la sensibilité à l’humidité, à l’oxygène, à la chaleur et à la migration interne des ions.
Pour résoudre le compromis entre durabilité à long terme et efficacité optoélectronique, les chercheurs se sont tournés vers les structures d’enrobage 2D/3D — une architecture innovante dans laquelle des couches de recouvrement de pérovskite bidimensionnelles (2D), hydrophobes et riches en barrières, encapsulent le volume absorbeur tridimensionnel (3D).
Dans une revue exhaustive publiée dans ENGINEERING Energy, une équipe de recherche dirigée par le Dr Yan Li (Xi’an Shiyou University & Politecnico di Torino) et le Dr Yujing Dong (Xinyang College) évalue systématiquement les avancées récentes, les mécanismes physiques sous-jacents, les principales stratégies de synthèse et les défis restants des pérovskites enrobées 2D/3D.
Plutôt que de fonctionner comme une simple barrière physique, la couche de recouvrement 2D agit comme une interface multifonctionnelle qui participe activement et directement aux mécanismes de cristallisation, à la reconstruction chimique interfaciale et au transport sélectif des porteurs de charge.
Points clés et principaux résultats de la recherche
Améliorations multifonctionnelles synergiques : la couche de recouvrement 2D apporte quatre bénéfices physiques et chimiques simultanés aux pérovskites 3D :
- Passivation des défauts : neutralise les ions Pb2+ sous-coordonnés et les lacunes d’halogénures aux surfaces du film et aux joints de grains par chimisorption et encapsulation physique, supprimant considérablement la recombinaison non radiative.
- Alignement des niveaux d’énergie : module la fonction de travail et le maximum de la bande de valence en surface (VBM) de la couche active, minimisant les décalages d’énergie potentielle et réduisant les pertes de tension de circuit ouvert (Voc) aux interfaces de transport de charge.
- Cristallisation & stabilisation de phase : régule la nucléation et la croissance des grains 3D tout en prévenant la dégradation de phase dans les pérovskites sans plomb à base de Cs ou de Sn sensibles à l’humidité.
- Suppression de la migration ionique : augmente les barrières énergétiques de migration ionique, prévenant l’interdiffusion sous contraintes thermiques, lumineuses et électriques.
Stratégies de fabrication contrôlée : aussi bien les méthodes en solution (optimisation des constantes diélectriques des solvants ε > 30 et des nombres donneurs de Gutmann 5 < DN < 18 kcal·mol−1, tels que l’acétonitrile) que les procédés en phase vapeur sans solvant — y compris la croissance en phase solide dans le plan (SIG) — permettent d’obtenir des hétéro-interfaces 2D/3D intactes sans perturber le réseau 3D sous-jacent.
Ingénierie des cations organiques : la revue catégorise les cations espaceurs aromatiques (p. ex. PEA+, TEA+) et aliphatiques (p. ex. BA+, ODA2+) performants, en soulignant les principes de conception structurale tels que la longueur optimale des chaînes alkyles, des moments dipolaires plus importants, une plus grande flexibilité moléculaire et une énergie de liaison plus forte pour favoriser l’orientation verticale des cristaux.
Croissance orientée & applications en tandem : l’alignement vertical des feuillets inorganiques conducteurs de porteurs le long de la direction de transport de charge, via l’empilement π–π, la coordination par bases de Lewis et le rôle de gabarit du réseau du substrat, augmente les taux d’extraction. Ces structures fournissent également une passivation cruciale du contact supérieur pour les sous-cellules à large bande interdite des photovoltaïques en tandem pérovskite/silicium.
Défis vers la commercialisation industrielle
Malgré des progrès substantiels, les auteurs soulignent plusieurs questions ouvertes qui exigent une attention urgente pour une application à grande échelle :
- Contrôle précis de la valeur n : la gestion du nombre de couches octaédriques inorganiques (valeur n) dans les domaines de phase pure et mixtes en n est essentielle pour prévenir des barrières indésirables de confinement quantique tout en maintenant la protection hydrophobe.
- Atténuation des discordances physiques : minimiser les incompatibilités de constantes diélectriques, les distorsions locales du champ électrique et les contraintes de réseau entre les sous-couches 2D et 3D.
- Passage à l’échelle de grandes surfaces : transposer le dépôt par rotation (spin-coating) à l’échelle du laboratoire vers des procédés continus d’enduction par fente (slot-die) ou par lame (blade-coating) sans induire d’inhomogénéités spatiales (effets « anneau de café ») sur de grands sous-modules (>100 cm²).
« L’essence des architectures d’enrobage 2D/3D ne consiste pas simplement à déposer un matériau 2D sur une surface 3D, mais à former un film mince continu par reconstruction auto-organisée », concluent les auteurs. « Une conception contrôlée des interfaces fera évoluer l’enrobage 2D/3D d’une stratégie de stabilisation de laboratoire vers un paradigme universel pour des modules solaires à haut rendement, hautement stables et commercialement viables. »
Article : 2D/3D wrapping structure: Applications and challenges in perovskite solar cells – Journal : ENGINEERING Energy – Wang, H., Li, Y., Li, X., Dang, W., Li, S., Gu, Z., Li, Z., He, M., Zhao, B., Zheng, J., & Dong, Y. (2026). – Méthode : News article – DOI : Lien vers l’étude
Source : UKCEH
