Correlated Oxide Nanocrystal Inks for Hole-Selective Contacts in n-i-p Perovskite Photovoltaics

La lumière du soleil est une ressource puissante, mais la capturer efficacement nécessite des matériaux capables non seulement d'absorber la lumière, mais aussi de guider l'électricité qu'elle crée vers le bon endroit. Dans le monde des cellules solaires, ce rôle de guidage est souvent rempli par un type spécifique de matériau appelé semi-conducteur. Pendant des décades, les scientifiques se sont appuyés sur des composés organiques pour déplacer les charges électriques positives, appelées trous, à travers une cellule solaire. Bien que ces matériaux organiques fonctionnent bien, ils présentent un défaut majeur : ils sont coûteux à fabriquer, nécessitent souvent des additifs chimiques instables pour fonctionner et peuvent se dégrader rapidement lorsqu'ils sont exposés à la chaleur et à l'humidité. Cela a poussé les chercheurs à se tourner vers des alternatives inorganiques, spécifiquement les oxydes métalliques, qui sont naturellement robustes et peu coûteux. Parmi ceux-ci, un matériau appelé oxyde de nickel se distingue comme un candidat prometteur car il conduit naturellement les charges positives sans avoir besoin de ces additifs instables. Cependant, un obstacle majeur a empêché son utilisation dans les conceptions de cellules solaires les plus avancées : la manière dont il est actuellement fabriqué force son traitement dans l'eau, ce qui détruit la couche absorbante de lumière délicate sur laquelle il doit être déposé.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Tokyo a résolu ce problème de longue date en développant une nouvelle méthode pour transformer l'oxyde de nickel en une encre liquide qui peut être peinte sur des cellules solaires sans utiliser d'eau. Leur travail, publié récemment, détaille comment ils ont transformé de minuscules particules d'oxyde de nickel provenant d'un mélange à base d'eau en une solution non aqueuse qui conserve sa capacité à conduire l'électricité. En faisant cela, ils ont permis l'utilisation de ce matériau inorganique durable dans le type d'architecture de cellule solaire le plus efficace disponible aujourd'hui. Le résultat est une cellule solaire qui non seulement performe mieux que la norme actuelle de l'industrie, mais qui résiste également beaucoup mieux aux conditions environnementales difficiles, offrant une voie vers une énergie solaire moins chère et plus durable.

Pour comprendre pourquoi il s'agit d'une telle avancée, il faut d'abord examiner la structure des cellules solaires que les chercheurs tentent d'améliorer. Les cellules solaires les plus efficaces utilisent actuellement une conception stratifiée où un matériau absorbant la lumière, connu sous le nom de pérovskite, repose entre deux couches qui transportent l'électricité. Dans la conception spécifique visée par les chercheurs, la couche absorbante de lumière est prise en sandwich entre une couche inférieure qui déplace les charges négatives et une couche supérieure qui déplace les charges positives. Pendant des années, les scientifiques ont utilisé avec succès des particules d'oxyde de nickel à base d'eau comme cette couche supérieure dans un autre modèle, moins efficace. Cependant, lorsqu'ils tentaient de placer cette couche à base d'eau sur la pérovskite dans le modèle plus efficace, l'eau endommageait la pérovskite, ruinant la cellule. Le défi consistait à déplacer les particules d'oxyde de nickel de l'eau vers un solvant qui ne nuirait pas à la pérovskite, sans perdre leur capacité à conduire l'électricité.

Les chercheurs ont commencé par étudier la nature fondamentale de ces particules d'oxyde de nickel pour comprendre comment elles interagissent avec leur environnement. Ils ont découvert que dans l'eau, la surface de ces minuscules particules est recouverte d'atomes d'hydrogène qui agissent comme de petits aimants, attirant les molécules d'eau et maintenant les particules séparées. Pour les sortir de l'eau, l'équipe a conçu un processus ingénieux en deux étapes. Premièrement, ils ont introduit un produit chimique capable de s'attacher temporairement à ces aimants de surface, créant ainsi un pont entre les particules aimant l'eau et un nouveau solvant de type huileux. Cette étape leur a permis de retirer les particules de l'eau et de les amener dans un état où elles pouvaient être lavées et préparées pour l'étape suivante.

Dans la seconde étape, les chercheurs ont remplacé le pont temporaire par un revêtement permanent composé de molécules organiques spécifiques. Ces molécules possèdent une tête qui adhère étroitement à la particule d'oxyde de nickel et une longue queue qui aime le nouveau solvant non aqueux. Les chercheurs ont soigneusement sélectionné la forme et la composition chimique de ces queues pour s'assurer que les particules ne s'agglutinent pas et que l'électricité puisse toujours circuler facilement entre elles. Ils ont découvert que la bonne combinaison de molécules créait une encre conductrice stable qui pouvait être étalée en un film mince et uniforme. Ce film agissait comme une autoroute parfaite pour les charges positives, leur permettant de circuler librement sans rester bloquées ou obstruées.

Lorsque les chercheurs ont construit des cellules solaires en utilisant cette nouvelle encre d'oxyde de nickel, les résultats ont été immédiats et impressionnants. Les dispositifs qu'ils ont créés ont été capables de convertir la lumière du soleil en électricité avec une efficacité de 25,8 pour cent. C'est un accomplissement significatif car il surpasse les performances des meilleures cellules solaires actuelles utilisant le matériau organique coûteux Spiro-OMeTAD. De plus, les nouvelles cellules n'ont pas seulement bien performé initialement ; elles se sont révélées bien plus durables. Testés sous des conditions de chaleur et d'humidité élevées, qui provoquent normalement une dégradation rapide des cellules solaires, les dispositifs à l'oxyde de nickel ont conservé plus de 90 pour cent de leur puissance après plus de 300 heures. En revanche, les cellules utilisant le matériau organique traditionnel ont perdu une part bien plus importante de leur efficacité au cours de la même période.

Le succès de ce travail réside dans le contrôle précis que les chercheurs ont exercé sur la chimie de l'encre. En comprenant exactement comment les particules interagissent avec les molécules de revêtement, ils ont pu ajuster les niveaux d'énergie pour que le flux d'électricité soit fluide et efficace. Ils ont également démontré que la nouvelle encre pouvait être appliquée directement sur la couche délicate de pérovskite sans causer de dommages, un exploit qui était auparavant considéré comme impossible avec ce type de matériau. Cette réussite suggère que l'avenir des cellules solaires à haute efficacité pourrait ne pas dépendre de produits chimiques organiques complexes et coûteux, mais plutôt de matériaux inorganiques simples et robustes pouvant être traités facilement et à moindre coût.

Les implications de cette recherche s'étendent au-delà d'une seule cellule solaire. En prouvant que l'oxyde de nickel peut être transformé en une encre stable et non aqueuse, l'équipe a ouvert la voie à une nouvelle classe de matériaux pouvant être utilisés dans une large gamme de dispositifs électroniques. La méthode qu'ils ont développée est polyvalente et pourrait potentiellement être adaptée à d'autres oxydes métalliques, offrant une solution générale au problème du traitement des matériaux inorganiques dans des environnements électroniques délicats. Alors que le monde cherche des solutions énergétiques plus durables et plus efficaces, la capacité de créer des cellules solaires de haute performance utilisant des matériaux durables et peu coûteux est une étape cruciale. Ce travail offre une voie claire et pratique pour atteindre cet objectif, rapprochant la technologie solaire d'un avenir où l'énergie propre est à la fois puissante et accessible.