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Numerical Study of Formamidinium Lead Iodide Perovskite Solar Cells using Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D) Software

Cette étude utilise des simulations SCAPS-1D pour proposer et optimiser une architecture de cellule solaire à pérovskite FAPbI₃ planaire n-i-p inorganique et rentable avec une couche de défauts d'interface, atteignant une efficacité de conversion de puissance théorique d'environ 25,81 %.

Auteurs originaux : Abubakar Sadiq Yusuf, Ramalan Abubakar Muhammad, Ahmad Alhaji Abubakar, Isah Kimpa Mohammed, Umaru Ahmadu, Kasim Uthman Isah, Zhan Chen, Maziar Ramezani

Publié 2026-09-22

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Abubakar Sadiq Yusuf, Ramalan Abubakar Muhammad, Ahmad Alhaji Abubakar, Isah Kimpa Mohammed, Umaru Ahmadu, Kasim Uthman Isah, Zhan Chen, Maziar Ramezani

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

L'énergie solaire est depuis longtemps le domaine des panneaux de silicium rigides, mais une nouvelle génération de technologie de captation de la lumière est en train de réécrire les règles. Il s'agit des cellules solaires à pérovskite, une classe de dispositifs fabriqués à partir d'une structure cristalline spécifique qui peut être cultivée sous forme de films minces et flexibles. Contrairement à leurs cousines en silicium, qui nécessitent une chaleur élevée et des machines coûteuses pour la fabrication, ces nouvelles cellules peuvent être créées à partir de simples solutions chimiques, offrant ainsi une voie vers une énergie moins chère et plus polyvalente. Cependant, pour que ces cellules deviennent une partie fiable de notre réseau énergétique, elles doivent non seulement être efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité, mais aussi suffisamment stables pour durer des décennies sans se dégrader. Un obstacle majeur a été les matériaux utilisés pour acheminer les charges électriques générées par la lumière ; beaucoup des meilleurs matériaux sont des composés organiques qui se décomposent sous l'effet de la chaleur ou de l'humidité, limitant ainsi la durée de vie du dispositif.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs a utilisé un puissant outil de simulation informatique pour explorer comment construire une cellule solaire à pérovskite qui soit à la fois hautement efficace et conçue pour durer. Au lieu de s'appuyer sur des matériaux organiques fragiles, ils ont conçu un dispositif utilisant uniquement des couches inorganiques, ou minérales, pour transporter l'électricité. En construisant virtuellement une cellule solaire avec une architecture spécifique et en testant des milliers de variations, ils ont découvert comment ajuster l'épaisseur de chaque couche et la qualité des matériaux pour atteindre une efficacité théorique de 25,81 pour cent. Leur travail suggère qu'en remplaçant des composants coûteux et instables par des minéraux robustes et peu coûteux, il est possible de créer des cellules solaires qui sont non seulement puissantes, mais aussi assez durables pour une utilisation dans le monde réel.

Les chercheurs ont concentré leur attention sur un type spécifique de matériau pérovskite connu sous le nom d'iodure de plomb et de formamidinium. Ce matériau est prisé pour sa capacité à absorber efficacement la lumière et pour sa stabilité thermique, ce qui en fait un candidat sérieux pour remplacer les versions moins stables utilisées dans les expériences précédentes. Pour guider le flux d'électricité au sein de la cellule, l'équipe a sélectionné deux matériaux inorganiques : l'oxyde d'étain pour la couche qui déplace les électrons et l'iodure de cuivre pour la couche qui déplace les charges positives, ou trous. Ils ont construit un modèle virtuel de la cellule solaire, couche par couche, en commençant par une électrode frontale transparente, suivie de la couche de transport d'électrons, de l'absorbeur de pérovskite, de la couche de transport de trous, et enfin d'un contact arrière en argent. Ce modèle numérique leur a permis de mener des expériences qui seraient difficiles, coûteuses ou chronophages à réaliser dans un laboratoire physique.

Une partie centrale de leur enquête consistait à comprendre comment les défauts au sein des matériaux affectent la performance. Dans le monde réel, les cristaux sont rarement parfaits ; ils contiennent de minuscules imperfections où des atomes sont manquants ou mal placés. Ces défauts agissent comme des pièges qui capturent les charges électriques, provoquant leur disparition avant qu'elles ne puissent être collectées sous forme d'énergie. Les chercheurs ont simulé comment le nombre de ces défauts, tant à l'intérieur de la couche absorbante principale qu'à la limite où les couches se rejoignent, modifiait le rendement de la cellule. Ils ont découvert que si la cellule pouvait tolérer un petit nombre d'imperfections, la présence de trop de défauts, particulièrement à l'interface entre la couche de transport d'électrons et l'absorbeur, provoquait une chute brutale de l'efficacité. Lorsque la densité de défauts à cette jonction critique était élevée, la capacité de la cellule à générer de l'énergie chutait, soulignant la nécessité d'interfaces immaculées dans un dispositif fonctionnel.

L'équipe a également ajusté systématiquement les dimensions physiques du dispositif pour trouver le « point idéal » de performance. Ils ont fait varier l'épaisseur de la couche de transport d'électrons et de la couche absorbante principale, testant tout, des films très minces aux films beaucoup plus épais. Leurs simulations ont révélé qu'une épaisseur de 300 nanomètres pour la couche de transport d'électrons et de 500 nanomètres pour l'absorbeur donnait les meilleurs résultats. Si l'absorbeur était trop mince, il ne pouvait pas capturer suffisamment de lumière solaire pour générer un courant fort. S'il était trop épais, la résistance électrique augmentait et les charges se recombinaient entre elles avant d'atteindre les électrodes, gaspillant ainsi l'énergie. De même, ils ont testé comment le dispositif se comporterait sous différentes températures, constatant qu'à mesure que la chaleur augmentait, la performance de la cellule déclinait, un défi commun pour de nombreuses technologies solaires.

En combinant ces paramètres optimisés, les chercheurs ont construit une cellule solaire virtuelle qui a performé exceptionnellement bien. Dans des conditions de lumière solaire standard et à une température modérée, leur meilleur design a atteint une efficacité de conversion de puissance de 25,81 pour cent. Ce chiffre représente le pourcentage de l'énergie solaire qui est transformé avec succès en électricité. Le dispositif a également produit une tension élevée et un courant fort, indiquant que les matériaux inorganiques qu'ils ont choisis étaient capables de déplacer les charges efficacement sans les pertes typiquement associées aux alternatives organiques. L'étude suggère que cette combinaison spécifique de matériaux et de dimensions crée un environnement stable où la couche de pérovskite peut fonctionner à son plein potentiel.

La portée de ce travail réside dans sa démonstration que la haute performance ne nécessite pas de matériaux coûteux ou instables. En remplaçant les couches de transport organiques traditionnelles par des couches inorganiques telles que l'oxyde d'étain et l'iodure de cuivre, les chercheurs ont montré une voie vers des cellules solaires qui sont non seulement efficaces, mais aussi intrinsèquement plus stables face à la chaleur et aux contraintes environnementales. Bien que ces résultats aient été obtenus par simulation informatique et n'aient pas encore été physiquement construits et testés dans un laboratoire, les conclusions fournissent un schéma directeur clair pour de futures expériences. L'étude confirme qu'avec les bonnes épaisseurs de couches et un minimum de défauts, une cellule solaire à pérovskite entièrement inorganique peut rivaliser avec les meilleures efficacités actuellement observées dans le domaine, offrant une voie prometteuse vers un avenir de l'énergie solaire plus durable et plus rentable.

Résumé Technique : Étude Numérique de Cellules Solaires à Pérovskite de Formamidinium Iodure de Plomb via SCAPS-1D

Énoncé du Problème
Bien que les cellules solaires à pérovskite (PSC) aient atteint des rendements de conversion énergétique (PCE) dépassant 23 %, leur commercialisation à grande échelle est entravée par des problèmes de stabilité à long terme et des coûts de fabrication élevés. Un contributeur majeur à ces limitations est l'utilisation de couches de transport de charge organiques ou polymères, telles que le Spiro-OMeTAD et le PCBM, qui souffrent de dégradation thermique, d'hygroscopie et de coûts de matériaux élevés. De plus, l'optimisation expérimentale des paramètres de dispositif est gourmande en ressources. Il existe un besoin pour des architectures de dispositifs rentables et stables utilisant des CTL (couches de transport de charge) inorganiques et une compréhension systématique de la manière dont les paramètres critiques — tels que l'épaisseur des couches, la densité de défauts et la température de fonctionnement — affectent les performances sans dépendre uniquement d'essais expérimentaux coûteux.

Méthodologie
Cette étude emploie une approche de simulation numérique théorique utilisant le logiciel Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D) pour analyser une nouvelle architecture de PSC planaire n-i-p. La structure de dispositif proposée est FTO/SnO₂/ILETL/At/FAPbI₃/CuI/Ag, comprenant :

Absorbeur : Iodure de formamidinium et plomb (FAPbI₃), choisi pour sa bande interdite plus faible (~1,5 eV) et sa plus grande stabilité thermique par rapport au MAPbI₃.
Couche de Transport d'Électrons (ETL) : SnO₂ inorganique.
Couche de Transport de Trous (HTL) : CuI inorganique.
Couche de Défaut d'Interface (ILETL/At) : Une fine couche introduite entre l'ETL et l'absorbeur pour modéliser les imperfections d'interface.

La simulation résout l'équation de Poisson et les équations de continuité électron/trou sous des conditions de test standard (AM 1.5G, 1000 W/m², 300 K). L'étude fait varier systématiquement les paramètres clés pour optimiser les performances :

Température de Fonctionnement : Variée de 300 K à 350 K.
Épaisseurs de Couches : Les épaisseurs de l'ETL (SnO₂) et de l'absorbeur (FAPbI₃) ont été variées de 100 nm à 1000 nm.
Densités de Défauts : La densité de défauts de l'absorbeur massif ( $N_t$ ) et la densité de la couche de défaut d'interface ( $ILE_{TL/At}$ ) ont toutes deux été variées de $10^7$ à $10^{20}$ cm⁻³.

Contributions Clés

Proposition d'Architecture Inorganique : Le document propose une stratégie de CTL entièrement inorganique (SnO₂ et CuI) pour remplacer les alternatives organiques coûteuses et instables, visant à améliorer la longévité des dispositifs et à réduire les coûts.
Modélisation des Défauts d'Interface : L'étude intègre explicitement une couche de défaut d'interface entre l'ETL et l'absorbeur, analysant son impact critique sur l'extraction et la recombinaison des porteurs.
Optimisation Paramétrique : Une analyse de sensibilité complète identifie la combinaison optimale d'épaisseurs de couches, de densités de défauts et de températures de fonctionnement requises pour maximiser l'efficacité pour la configuration spécifique FAPbI₃/SnO₂/CuI.

Résultats
La simulation a produit les mesures de performance suivantes sous conditions optimisées :

Configuration Optimale : L'efficacité la plus élevée a été obtenue avec une épaisseur d'ETL de 300 nm, une épaisseur d'absorbeur de 500 nm, une température de fonctionnement de 300 K, une densité de défaut de l'absorbeur massif de $1 \times 10^{12}$ cm⁻³, et une densité de défaut d'interface de $1 \times 10^8$ cm⁻³.
Métriques de Performance : Sous ces conditions idéales, le dispositif a atteint un PCE de 25,81 %, avec une densité de courant de court-circuit ( $J_{SC}$ ) de 23,87 mA/cm², une tension en circuit ouvert ( $V_{OC}$ ) de 1,283 V, et un facteur de forme (FF) de 84,20 %.
Sensibilité à la Température : L'augmentation de la température de 300 K à 350 K a entraîné un déclin constant de toutes les métriques de performance, faisant chuter le PCE à environ 12,94 % en raison de l'augmentation de la recombinaison thermique.
Sensibilité aux Défauts :
- Défauts Massifs : Les performances du dispositif sont restées stables pour $N_t$ en dessous de $10^{11}$ cm⁻³, mais ont décliné de manière significative dès que $N_t$ dépassait $10^{17}$ cm⁻³.
- Défauts d'Interface : La couche de défaut d'interface s'est révélée plus préjudiciable que les défauts massifs. La performance est restée élevée pour une $ILE_{TL/At}$ inférieure à $10^{12}$ cm⁻³, mais s'est effondrée lorsque la densité dépassait $10^{13}$ cm⁻³, soulignant la nature critique de l'interface ETL/absorbeur.
Optimisation de l'Épaisseur : Bien que les absorbeurs minces (< 500 nm) souffraient d'une absorption de lumière insuffisante, les couches excessivement épaisses (> 500 nm) entraînaient une augmentation de la résistance interne et de la recombinaison des porteurs, réduisant ainsi l'efficacité.

Signification et Revendications
L'article affirme que l'architecture n-i-p inorganique proposée offre une voie viable vers des PSC à haute efficacité, stables et rentables. En remplaçant les CTL organiques conventionnels par du SnO₂ et du CuI inorganiques, la conception répond aux préoccupations de stabilité liées à la dégradation thermique et à la sensibilité à l'humidité. L'étude démontre qu'avec des épaisseurs de couches optimisées et des densités de défauts minimisées, les PSC à base de FAPbI₃ peuvent théoriquement atteindre des efficacités dépassant 25 %. Les auteurs soutiennent que leur conception donne la priorité à la fois à l'efficacité du dispositif et à la durabilité, fournissant un schéma théorique aux expérimentateurs pour fabriquer des cellules solaires robustes sans dépendre de matériaux coûteux comme le PCBM ou le Spiro-OMeTAD. La recherche souligne l'interdépendance entre l'épaisseur de l'absorbeur et la densité de défauts, suggérant que des films de haute qualité (faible taux de défauts) peuvent supporter des couches d'absorbeur plus épaisses pour une meilleure collecte de la lumière.

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