Stabilisation des tandems pérovskite–organiques par additif photo-transformable

1. Un défi majeur pour les cellules tandem pérovskite-organique

Les cellules solaires tandem associant une pérovskite à large bande interdite et une couche organique promettent de dépasser les performances des technologies photovoltaïques classiques. Pourtant, leur couche frontale, riche en bromure, reste fragile face à deux problèmes bien connus : une mauvaise homogénéité initiale des halogènes et la séparation induite par la lumière. Ces défauts perturbent le fonctionnement électrique, réduisent la tension en circuit ouvert et limitent la stabilité sous illumination continue.

2. L’idée clé : un additif qui se transforme sous la lumière

Des chercheurs ont intégré dans la solution précurseur un additif photo-transformable, le TDB (4-[3-(trifluoromethyl)-3H-diazirin-3-yl]benzylamine). Son intérêt repose sur une stratégie en deux étapes. Pendant la cristallisation, il agit comme régulateur de croissance. Puis, sous éclairage, il se transforme en une nouvelle espèce chimique capable de mieux s’ancrer aux joints de grains de la pérovskite. Cette évolution réduit les zones de fragilité où naissent souvent les défauts ioniques.

• Étape 1 : amélioration de l’homogénéité des halogènes pendant l’annealing.
• Étape 2 : renforcement de la surface des grains sous illumination.
• Effet global : moindre migration ionique et meilleure stabilité de phase.

3. Une cristallisation mieux contrôlée dès le départ

Au moment de la formation du film, le TDB freine la précipitation trop rapide d’une phase riche en bromure, souvent responsable d’une composition irrégulière. En parallèle, il favorise le mélange des halogènes pendant le recuit thermique. Ce point est crucial : dans les pérovskites à large bande interdite, une répartition uniforme du bromure et de l’iodure conditionne directement la qualité optique et électrique du matériau. Par exemple, une couche plus homogène permet d’éviter des régions localement trop riches en un halogène, qui créent des chemins de recombinaison défavorables aux porteurs de charge.

4. Sous éclairage, une protection active contre les défauts

Une fois la cellule en fonctionnement, l’additif transformé se fixe plus fortement aux surfaces des joints de grains. Cette interaction limite la formation de défauts liés à l’iodure, qui servent souvent de pièges pour les électrons et les trous. Elle réduit aussi la migration ionique, l’un des mécanismes les plus redoutés dans les pérovskites, car il favorise la dérive progressive des ions sous lumière et sous champ électrique. Résultat : la séparation de phase induite par la lumière est nettement atténuée, ce qui améliore la tenue du dispositif dans des conditions réelles d’utilisation.

• Défauts réduits : moins de pièges de charge.
• Migration ionique freinée : structure plus stable dans le temps.
• Séparation de phase limitée : performance plus constante sous illumination.

5. Des performances photovoltaïques de tout premier plan

Avec cette approche, la cellule frontale en pérovskite à large bande interdite, d’un gap de 1,88 eV, a atteint une efficacité de conversion de puissance de 20,01 %. Les paramètres mesurés sont particulièrement solides : une tension en circuit ouvert de 1,42 V et un facteur de forme de 85,13 %. Ces valeurs traduisent une meilleure extraction de la charge et des pertes internes réduites. Pour un lecteur non spécialiste, cela signifie qu’une plus grande part de la lumière absorbée est réellement convertie en électricité utile, avec moins de gaspillage sous forme de chaleur ou de recombinaison.

6. Un tandem record et une stabilité démontrée dans la durée

En intégrant cette cellule dans un tandem monolithique pérovskite-organique, les chercheurs ont obtenu une efficacité de 28,80 %, avec une efficacité en régime stationnaire certifiée de 28,04 %. C’est un résultat remarquable pour une architecture tandem, car il combine une très haute performance initiale et une crédibilité expérimentale renforcée par la certification. Surtout, le dispositif a conservé 90 % de sa performance initiale après 625 heures de fonctionnement selon le protocole ISOS-L-1, un indicateur important de robustesse en conditions d’illumination prolongée.

• Rendement tandem : 28,80 %
• Rendement certifié en régime stationnaire : 28,04 %
• Rétention après 625 h : 90 % de la performance initiale