Ammonium thiocyanate enables in-situ structural templating of MAPbI3 via quasi-2D perovskite scaffold
Cette étude révèle que le thiocyanate d'ammonium améliore les performances des cellules solaires à pérovskite MAPbI₃ non pas en facilitant le transport de charge à travers les couches 2D, mais en contrôlant cinétiquement la formation de la phase quasi-2D pour créer un échafaudage à accord de réseau qui sert de matrice structurelle à la croissance de cristaux de pérovskite 3D hautement ordonnés.
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Les cellules solaires fabriquées à partir d'une classe de matériaux appelés pérovskites sont porteuses de grandes promesses pour l'avenir de l'énergie propre. Ces matériaux sont peu coûteux à produire et peuvent être imprimés sur des surfaces flexibles, mais ils sont confrontés à un obstacle majeur : ils sont souvent instables lorsqu'ils sont exposés à l'humidité et à l'air. Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont développé une variante connue sous le nom de pérovskites quasi-bidimensionnelles. Imaginez un sandwich où des couches d'un matériau hautement efficace pour l'absorption de la lumière sont séparées par d'épaisses feuilles organiques hydrophobes. Ces feuilles organiques agissent comme une barrière protectrice, protégeant les couches internes de l'humidité et rendant la cellule solaire beaucoup plus durable. Cependant, cette protection a un coût. Les couches organiques épaisses peuvent bloquer le flux d'électricité, et le matériau se forme souvent en un mélange désordonné de différentes épaisseurs de couches, ce qui piège l'énergie et réduit la puissance que la cellule peut générer. Pendant des années, les chercheurs ont lutté pour trouver un moyen de préserver la stabilité de ces structures stratifiées sans sacrifier leur capacité à conduire l'électricité efficacement.
Dans une étude récente, une équipe de chercheurs a étudié un additif chimique courant appelé thiocyanate d'ammonium, qui avait été utilisé pour améliorer ces cellules solaires, mais dont la fonction exacte restait un mystère. La croyance prédominante était que cet additif fonctionnait en forçant les couches organiques à se redresser verticalement, comme une pile de livres posés sur la tranche, permettant ainsi à l'électricité de circuler plus facilement à travers le matériau. Les chercheurs ont cherché à tester cette idée en créant des films minces du matériau pérovskite en utilisant deux types différents de molécules organiques, l'une ayant une chaîne légèrement plus longue que l'autre, et en observant comment le matériau se formait avec et sans l'additif. Ils ont observé la formation des films en temps réel, mesuré la façon dont ils absorbaient la lumière et ont utilisé des faisceaux de rayons X puissants pour observer l'arrangement des atomes à l'intérieur du matériau.
Leur découverte a bouleversé la compréhension précédente. L'additif ne se contentait pas de réorienter les couches organiques pour qu'elles se tiennent debout. Au lieu de cela, il a agi comme un guide aidant le matériau à former une structure cristalline tridimensionnelle hautement ordonnée dès le départ. Les chercheurs ont découvert que l'additif ralentissait le processus de cristallisation, donnant aux atomes plus de temps pour s'organiser en un motif parfait plutôt que de se précipiter dans un état désordonné et chaotique. Dans les échantillons utilisant la molécule organique à chaîne plus longue, l'additif a réussi à empêcher la formation d'une épaisseur de couche spécifique et problématique qui agit comme un barrage pour l'électricité. Il a encouragé la croissance de couches intermédiaires qui servaient d'échafaudage temporaire, permettant au cristal tridimensionnel final, hautement efficace, de croître selon une orientation parfaitement alignée. Cela a abouti à un matériau non seulement plus stable, mais aussi bien meilleur pour la circulation de l'électricité.
La preuve de ce nouveau mécanisme a été trouvée dans la manière dont les atomes étaient disposés. En utilisant la diffusion des rayons X, l'équipe a constaté que l'additif provoquait l'alignement des plans cristallins tridimensionnels de telle sorte que le plan (110) soit parallèle au substrat, une configuration idéale pour l'extraction de l'énergie. Cet alignement était si précis qu'il ressemblait à un carrelage parfaitement posé plutôt qu'à un tas de décombres. Crucialement, cet effet ne s'est produit que lorsque l'additif interagissait avec la molécule organique spécifique possédant la chaîne la plus longue. Lorsque les chercheurs ont utilisé la molécule à chaîne plus courte, l'additif n'a pas réussi à empêcher la formation des couches problématiques, et le matériau est resté désordonné. Cela a prouvé que le succès de l'additif dépendait d'une correspondance chimique spécifique entre l'additif et la molécule organique, plutôt que d'un effet général sur le matériau.
L'impact de cette découverte a été immédiatement visible dans les performances des cellules solaires. Les dispositifs fabriqués avec la molécule à chaîne longue et l'additif ont produit nettement plus d'électricité que ceux sans additif. La quantité de courant qu'ils pouvaient générer a augmenté considérablement, passant d'environ 9,2 à 17,1 mA cm⁻², et l'efficacité globale de la conversion de la lumière solaire en énergie a bondi d'un niveau modeste vers un chiffre beaucoup plus compétitif. Cette amélioration est due au fait que la nouvelle structure ordonnée permet aux charges de circuler librement sans rester bloquées aux joints de grains ou être entravées par les couches minces indésirables. Les chercheurs ont également confirmé que l'additif ne se contentait pas de colmater les défauts du matériau existant ; il changeait fondamentalement la manière dont le matériau se développait. En prolongeant la fenêtre de temps permettant aux atomes de trouver leur position correcte, l'additif a permis la formation d'un cristal de haute qualité, ce qui était auparavant difficile à obtenir dans ces systèmes complexes et stratifiés.
Ce travail suggère que la clé de meilleures cellules solaires ne réside pas seulement dans l'ajout de produits chimiques pour corriger les problèmes, mais dans le contrôle minutieux du timing et des conditions de formation du matériau. L'étude démontre qu'en ralentissant le processus de cristallisation et en utilisant la bonne combinaison de molécules, les scientifiques peuvent guider le matériau pour qu'il s'auto-construise en une structure hautement efficace. Bien que l'additif n'ait pas fonctionné pour tout type de molécule organique testée, le succès avec la version à chaîne longue offre un modèle clair pour la conception des futures cellules solaires. Cela montre qu'avec les bons partenaires chimiques, il est possible de créer des matériaux pérovskites qui sont à la fois stables face aux éléments et efficaces pour récolter l'énergie, nous rapprochant ainsi d'un avenir où l'énergie solaire sera à la fois fiable et abordable.
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