Co-evaporated compositionally modulated interfaces in perovskite/Si tandems
Cette étude démontre que la co-évaporation sans solvant permet la création d'une interface 2D/3D à composition verticale dans les cellules solaires tandem pérovskite/silicium, atteignant une efficacité record de 30,93 % et une stabilité à long terme exceptionnelle en éliminant les cations organiques volumineux tout en assurant une connectivité cristalline cohérente et en supprimant la formation de défauts.
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La quête d'une énergie solaire plus performante s'est longtemps concentrée sur une idée simple : capturer davantage l'énergie du soleil en empilant différents matériaux les uns sur les autres. Imaginez un sandwich où la tranche supérieure est conçue pour capter la lumière bleue à haute énergie, tandis que la tranche inférieure capte la lumière rouge à plus faible énergie qui traverse la première. C'est la promesse des cellules solaires tandem, associant spécifiquement une pérovskite, un cristal synthétique, au silicium traditionnel. Bien que cette combinaison ait déjà battu des records d'efficacité, un problème tenace persiste. Avec le temps, ces dispositages ont tendance à se dégrader, perdant leur capacité à générer de l'électricité. Le coupable est souvent caché profondément à l'intérieur du dispositif, à la frontière invisible où les deux couches se rejoignent. Ici, de minuscules lacunes dans la structure cristalline permettent aux atomes de vagabonder et de réagir, provoquant la décomposition du matériau sous l'effet même de la lumière solaire qu'il est censé récolter. Pendant des années, les scientifiques ont tenté de colmater ces brèches à l'aide de produits chimiques liquides, mais les solvants contenus dans ces liquides dissolvent souvent les couches délicates qu'ils tentent de protéger, créant un cycle de dommages plutôt que de réparation.
Une équipe de chercheurs a maintenant trouvé un moyen de construire une fondation plus solide et plus stable pour ces cellules solaires sans utiliser de liquides du tout. Au lieu de verser des produits chimiques, ils ont utilisé une technique appelée co-évaporation, qui est essentiellement une méthode sèche, basée sur le vide, consistant à déposer des matériaux atome par atome. En contrôlant soigneusement le flux d'ingrédients durant les premiers instants de la croissance du film, ils ont créé une couche de semence spéciale à la base du film de pérovskite. Cette couche est un mélange unique de deux structures cristallines différentes qui s'emboîtent parfaitement, comme des briques autobloquantes, formant un pont sans couture vers la couche principale absorbant le rayonnement solaire située au-dessus. Crucialement, cette couche de semence est riche en un ingrédient spécifique qui comble les minuscules interstices où les atomes manquent habituellement, empêchant les réactions chimiques destructrices qui mènent à la défaillance. Parce que le processus est sec, il évite les problèmes de dissolution désordonnés des méthodes liquides, permettant aux chercheurs de programmer la composition exacte du matériau en partant du bas.
Les résultats de cette approche sont frappants. Lorsque l'équipe a fabriqué des cellules solaires en utilisant cette nouvelle interface enfouie, elle a atteint une efficacité de conversion énergétique de 30,93 %, un bond significatif pour cette technologie. Mais la véritable percée réside dans la capacité du dispositif à durer dans le temps. Lors de tests où les cellules ont été laissées en fonctionnement sous une lumière intense dans une atmosphère d'azote, le nouveau design a conservé 90 % de sa performance initiale après 1 820 heures. En revanche, les cellules standards sans cette couche de semence spéciale ont commencé à faiblir bien plus tôt, chutant au même niveau de performance en moins de 300 heures. Les chercheurs ont confirmé que cette stabilité provient de la perfection de l'interface au niveau atomique. En utilisant de puissants microscopes électroniques capables de voir les atomes individuels, ils ont observé que les structures cristallines de leur nouveau design sont continues et ininterrompues, sans lacunes où les atomes pourraient glisser. Cette continuité permet à l'électricité de circuler librement tout en maintenant le matériau dans un état stable, stoppant efficacement le processus de dégradation avant même qu'il ne commence.
L'étude a également clarifié pourquoi les tentatives précédentes pour réparer ces interfaces avaient souvent échoué. De nombreuses méthodes antérieures reposaient sur l'ajout de grosses molécules encombrantes à la surface pour servir de bouclier. Bien que ces molécules puissent bloquer certains dommages, elles agissent également comme un barrage, ralentissant le flux d'électricité et réduisant l'efficacité globale de la cellule. La nouvelle méthode évite entièrement ce compromis. En utilisant une couche de semence composée des mêmes blocs de construction de base que le cristal principal, simplement disposés d'une manière légèrement différente, les chercheurs ont créé une barrière qui arrête les dommages sans bloquer le flux d'énergie. Les images microscopiques montrent que les atomes de cette nouvelle couche sont parfaitement alignés avec les atomes situés au-dessus, créant un chemin lisse et ininterrompu pour le transport des charges. Cet alignement empêche la formation des défauts qui déclenchent habituellement la décomposition du matériau sous l'effet de la lumière et de la chaleur.
Pour prouver que ce design fonctionne dans un contexte réel, l'équipe l'a appliqué à un empilement complet de cellule solaire, plaçant la nouvelle couche de pérovskite directement sur une cellule de silicium. Le dispositif résultant a non seulement performé à un haut niveau, mais a également démontré une résilience remarquable. Les chercheurs ont suivi la production du dispositif en continu, observant comment il gérait le stress d'une illumination constante. Les données ont montré que la nouvelle interface a réussi à supprimer les changements chimiques internes qui causent typiquement la perte de puissance des cellules solaires. En éliminant les points faibles à la base du film, l'ensemble de la structure est devenu plus robuste. Ce travail suggère que la clé pour débloquer le plein potentiel de l'énergie solaire de nouvelle génération ne réside pas dans la recherche de nouveaux matériaux exotiques, mais dans la maîtrise de l'arrangement précis des atomes dont nous disposons déjà. En contrôlant la façon dont ces matériaux croissent dès le premier instant, les scientifiques peuvent créer des cellules solaires qui sont non seulement plus efficaces, mais aussi conçues pour durer, nous rapprochant d'un avenir où l'énergie solaire sera à la fois puissante et pérenne.
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