Simulation numérique et optimisation des performances de cellules solaires pérovskites mono-halogénures Cs2TiBr6 non toxiques

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Non-toxique Cs2TiBr6 monohalide perovskite cellule solaire

Simulation numérique et optimisation des performances des cellules solaires à base de Cs₂TiBr₆ : Étude sur les matériaux pérovskites

Contexte académique

Ces dernières années, les cellules solaires pérovskites (Perovskite Solar Cells, PSCs) ont attiré une attention considérable en raison de leurs propriétés optoélectroniques exceptionnelles. Ces matériaux possèdent un gap de bande approprié, une haute mobilité des porteurs de charge, une longueur de diffusion significative et un coefficient d’absorption lumineuse remarquable, ce qui a rapidement fait émerger leur utilisation dans le domaine photovoltaïque. Cependant, les matériaux pérovskites traditionnels à base de plomb présentent des problèmes de toxicité, une stabilité insuffisante et une durée de vie courte, limitant leur application à grande échelle. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont commencé à explorer des matériaux alternatifs non toxiques et stables. Parmi eux, le bromure de césium-titane (Cs₂TiBr₆), un matériau pérovskite monohalide, est devenu un sujet de recherche populaire en raison de sa faible toxicité et de sa haute stabilité.

Le Cs₂TiBr₆ est un matériau écologique sans plomb, avec un gap de bande direct d’environ 1,8 eV, ce qui le rend adapté au développement de cellules solaires efficaces. De plus, ce matériau présente une stabilité thermique et chimique élevée, posant ainsi les bases pour son application commerciale. Bien que certaines études expérimentales et simulations aient déjà exploré les performances des PSC à base de Cs₂TiBr₆, la manière d’améliorer davantage leur efficacité et de résoudre les problèmes de recombinaison interfaciale reste encore à approfondir. Par conséquent, cette étude vise à optimiser la conception des PSC à base de Cs₂TiBr₆ en introduisant des couches de défauts interfaciaux (Interfacial Defect Layers, IDL) et à analyser systématiquement les facteurs clés de l’amélioration des performances.

Source de l’étude

Cet article a été co-rédigé par Jaspinder Kaur, Ajay Kumar Sharma, Rikmantra Basu et Harjeevan Singh, respectivement issus de l’Institut National de Technologie de Delhi (NIT Delhi) et de l’Université de Chandigarh à Mohali, dans le Pendjab. Cette recherche a été soumise le 28 mai 2024, acceptée le 29 décembre 2024, et publiée en 2025 dans la revue Optical and Quantum Electronics. Le titre de l’article est “Numerical Simulation and Performance Optimization of Non-Toxic Cs₂TiBr₆ Single-Halide Perovskite Solar Cell by Introducing Interfacial Defect Layers”.

Détails de l’étude

a) Processus de recherche

Cette étude utilise le logiciel SCAPS-1D pour effectuer une simulation numérique de la structure FTO/SnO₂/Cs₂TiBr₆/MoOₓ/Au des PSC. L’ensemble de la recherche est divisé en plusieurs étapes :

  1. Conception de la structure et paramètres d’entrée
    La recherche commence par concevoir une structure de jonction hétérogène plane PSC incluant un oxyde conducteur transparent (FTO), une couche de transport d’électrons (SnO₂), une couche absorbante (Cs₂TiBr₆), une couche de transport de trous (MoOₓ) et un contact métallique arrière (Au). Pour réduire la recombinaison interfaciale, deux couches de défauts interfaciaux (IDL1 et IDL2) ont été introduites. Tous les paramètres des matériaux sont basés sur des données issues de la littérature existante, tels que le gap de bande, la constante diélectrique et la concentration de porteurs de charge.

  2. Optimisation des paramètres clés

    • Épaisseur de la couche absorbante : En modifiant l’épaisseur de la couche de Cs₂TiBr₆ (de 0,1 à 3,0 µm), on examine son impact sur la densité de courant de court-circuit (Jsc), la tension en circuit ouvert (Voc), le facteur de remplissage (FF) et l’efficacité de conversion de puissance (PCE). Les résultats montrent qu’une épaisseur optimale est de 800 nm.
    • Optimisation de la concentration de dopage : L’étude analyse l’impact de la concentration de dopage de la couche Cs₂TiBr₆ (de 10¹⁶ à 10²⁰ cm⁻³) sur les performances du dispositif, déterminant finalement une concentration optimale de dopage de 10¹⁸ cm⁻³.
    • Optimisation de la densité de défauts : En ajustant la densité de défauts de la couche Cs₂TiBr₆ (de 10¹³ à 10¹⁹ cm⁻³), l’étude examine son impact sur le taux de recombinaison et l’efficacité, découvrant que la densité optimale de défauts est de 10¹⁴ cm⁻³.

  3. Rôle des couches de défauts interfaciales
    L’étude analyse l’impact de la densité de défauts des IDL1 et IDL2 sur les performances du dispositif. Les résultats montrent qu’une densité de défauts inférieure à 10¹⁵ cm⁻³ peut réduire significativement la recombinaison interfaciale, améliorant ainsi l’efficacité.

  4. Analyse de l’impact de la température
    En simulant les performances du dispositif à différentes températures de fonctionnement (de 300 à 420 K), l’étude conclut que la meilleure température de fonctionnement est de 300 K.

  5. Analyse comparative
    Enfin, la structure optimisée est comparée aux résultats expérimentaux et simulés déjà publiés, validant ainsi la supériorité du nouveau design.

b) Résultats principaux

  1. Impact de l’épaisseur de la couche absorbante
    Lorsque l’épaisseur de la couche Cs₂TiBr₆ augmente de 0,1 à 3,0 µm, Jsc et PCE atteignent un pic lorsque l’épaisseur atteint 0,8 µm, puis diminuent rapidement. Cela s’explique par une augmentation de la densité de défauts et de la résistance série dans les couches absorbantes plus épaisses, entraînant une augmentation du taux de recombinaison. L’épaisseur optimale a été déterminée à 800 nm.

  2. Impact de la concentration de dopage
    Une augmentation de la concentration de dopage réduit considérablement Jsc, car un dopage élevé provoque une augmentation de la recombinaison des porteurs de charge photoinduits. Cependant, une concentration de dopage appropriée (10¹⁸ cm⁻³) peut augmenter Voc et FF, optimisant ainsi l’efficacité globale.

  3. Impact de la densité de défauts
    Une augmentation de la densité de défauts entraîne une augmentation significative du taux de recombinaison, réduisant ainsi l’efficacité. L’étude montre que lorsque la densité de défauts est inférieure à 10¹⁵ cm⁻³, les performances du dispositif sont optimales.

  4. Rôle des couches de défauts interfaciales
    L’introduction des IDL réduit significativement la recombinaison interfaciale, augmentant ainsi la durée de vie des porteurs de charge et l’efficacité. La densité de défauts optimale des IDL est de 10¹⁴ cm⁻³.

  5. Impact de la température
    Une augmentation de la température entraîne une diminution de la mobilité des porteurs de charge et une augmentation du taux de recombinaison, réduisant ainsi l’efficacité. La meilleure température de fonctionnement est de 300 K.

  6. Résultats de l’analyse comparative
    La structure optimisée a atteint un PCE de 20,11 %, bien supérieur aux résultats rapportés dans la littérature existante (2 %-6 %). Cela est principalement attribué à l’introduction des IDL et à l’optimisation des paramètres clés.

c) Conclusion et signification

Cette étude a réussi à concevoir une PSC efficace à base de Cs₂TiBr₆ en introduisant des couches de défauts interfaciales et en optimisant les paramètres clés. Les résultats montrent qu’une épaisseur optimale de la couche absorbante est de 800 nm, une concentration de dopage optimale de 10¹⁸ cm⁻³ et une densité de défauts optimale de 10¹⁴ cm⁻³. La structure optimisée a atteint un PCE de 20,11 %, bien supérieur aux résultats expérimentaux et simulés existants. Ce résultat fournit non seulement des directives théoriques pour la conception de cellules solaires pérovskites non toxiques et stables, mais pose également les bases pour leur application commerciale.

d) Points forts de l’étude

  1. Méthode innovante : Introduction pour la première fois des IDL pour réduire la recombinaison interfaciale, améliorant ainsi significativement l’efficacité du dispositif.
  2. Optimisation systématique : Analyse complète de l’impact de l’épaisseur de la couche absorbante, de la concentration de dopage et de la densité de défauts sur les performances, fournissant une référence pour les recherches futures.
  3. Progrès en termes d’efficacité : Atteinte d’un PCE de 20,11 %, bien supérieur aux résultats rapportés dans la littérature existante.

e) Autres informations précieuses

L’étude examine également l’impact de différents matériaux de transport de trous (comme MoOₓ, Spiro-OMeTAD, etc.) sur les performances du dispositif, révélant que MoOₓ présente les meilleures performances en raison de sa haute stabilité, de son faible coût et de ses excellentes propriétés de correspondance de niveaux d’énergie.

Valeur et signification de l’étude

Cette recherche ne pousse pas seulement théoriquement le développement des cellules solaires pérovskites non toxiques, mais fournit également des orientations importantes pour leur fabrication expérimentale et leur application commerciale. En optimisant les paramètres clés et en introduisant des IDL, l’étude montre comment réaliser une conversion d’énergie efficace tout en maintenant des caractéristiques écologiques. Ce résultat est d’une grande importance pour le progrès des technologies des énergies renouvelables et ouvre également de nouvelles directions pour les recherches futures sur les matériaux pérovskites.