Optimisation de l'interface de la couche de transport d'électrons en hématite pour améliorer le transport de charge dans les cellules solaires pérovskites

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Cellules solaires pérovskites Hématite Optimisation interfaciale Transport de charge Stabilité

Optimisation des interfaces pour améliorer les performances des cellules solaires pérovskites

Introduction

Ces dernières années, les cellules solaires pérovskites (Perovskite Solar Cells, PSCs) sont devenues l’une des technologies photovoltaïques de troisième génération les plus prometteuses grâce à leur efficacité de conversion de puissance élevée (Power Conversion Efficiency, PCE) et leurs coûts de fabrication relativement faibles. Cependant, malgré les progrès significatifs réalisés en laboratoire, leur application commerciale reste confrontée à plusieurs défis majeurs. Parmi ceux-ci, les problèmes liés à la recombinaison interfaciale et à la stabilité des dispositifs sont particulièrement préoccupants. Ces problèmes proviennent principalement de la sensibilité intrinsèque des matériaux pérovskites à l’humidité, à l’oxygène, à la chaleur et aux rayons ultraviolets, ainsi que du mauvais contact entre la couche de transport d’électrons (Electron Transport Layer, ETL) et la couche absorbante pérovskite.

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont proposé d’optimiser le contact entre la couche de transport d’électrons et la couche pérovskite par ingénierie des interfaces, afin de réduire les pertes de recombinaison interfaciale et d’améliorer l’efficacité du transport de charge. Dans ce contexte, Muhammad Anwar Jan et ses collègues ont mené une étude visant à explorer les effets d’une nouvelle couche interfaciale, le diiodure de pipérazine (Piperazine Dihydriodide, PZDI), dans les PSCs basées sur l’hématite (Hematite, α-Fe₂O₃) comme ETL. Cette recherche se concentre non seulement sur l’amélioration des performances des dispositifs grâce au PZDI, mais explore également son potentiel en termes de stabilité à long terme.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Muhammad Anwar Jan, Hafiz Muhammad Noman, Akbar Ali Qureshi et Fuchun Yang, affiliés respectivement au Laboratoire clé du Ministère de l’Éducation pour la fabrication mécanique efficace et propre de l’Université Shandong, au Centre national de démonstration pour l’enseignement expérimental en génie mécanique (Université Shandong), et au Département de génie mécanique de l’Université Bahauddin Zakariya au Pakistan. L’article a été soumis le 31 octobre 2024, accepté le 31 décembre 2024, et publié dans la revue Optical and Quantum Electronics (DOI: 10.1007/s11082-024-08033-8).

Contenu et processus de recherche

a) Processus de recherche

Cette étude comprend principalement les étapes suivantes :

1. Préparation des matériaux

L’équipe de recherche a utilisé une série de réactifs chimiques et de solutions précurseurs pour fabriquer les composants principaux des PSCs. Par exemple, la couche ETL d’hématite a été préparée en dissolvant du nitrate ferrique nonahydraté (Fe(NO₃)₃·9H₂O) dans de l’éthanol ; la couche interfaciale PZDI a été préparée en dissolvant le PZDI dans du chlorobenzène avec agitation pendant la nuit. De plus, la solution précurseur pérovskite a été formée en mélangeant de l’iodure de méthylammonium formamidinium (FAI), du bromure de méthylammonium (MABr), de l’iodure de plomb (PbI₂) et du bromure de plomb (PbBr₂), permettant de former un film pérovskite tri-cationique.

2. Fabrication des dispositifs

La recherche a adopté une structure standard N-I-P pour fabriquer les PSCs. Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Nettoyage du substrat : Les substrats en verre ITO ont été nettoyés successivement avec de l’eau désionisée, de l’acétone et de l’isopropanol. - Dépôt de l’ETL : La solution précurseur d’hématite a été déposée par spin-coating sur les substrats ITO, puis recuite à 300°C pendant 1 heure dans l’air. - Dépôt de la couche interfaciale : La solution PZDI a été déposée par spin-coating sur la couche d’hématite, puis recuite à 100°C pendant 10 minutes. - Dépôt de la couche pérovskite : La solution précurseur pérovskite a été déposée par spin-coating sur la couche interfaciale à l’aide d’une méthode anti-solvant, puis recuite à 120°C pendant 10 minutes pour favoriser la cristallisation. - Dépôt de la couche de transport de trous (HTL) : Une solution de Spiro-OMeTAD a été déposée par spin-coating sur la couche pérovskite, puis laissée au repos pendant 12 heures dans un environnement sec pour compléter l’oxydation. - Évaporation des électrodes métalliques : Une électrode supérieure en argent (Ag) a été déposée sur la HTL par évaporation thermique.

3. Caractérisation et tests

Pour évaluer pleinement les performances des dispositifs, l’équipe de recherche a utilisé plusieurs techniques de caractérisation : - Diffraction des rayons X (XRD) : Analyse de la structure cristalline des films d’hématite et de pérovskite. - Microscopie électronique à balayage (SEM) : Observation de la morphologie de surface et de la structure transversale des films. - Photoluminescence (PL) et photoluminescence résolue en temps (TRPL) : Étude des mécanismes de transport de charge et de la cinétique de recombinaison. - Spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) : Mesure de la résistance de recombinaison des dispositifs. - Courbes courant-tension (J-V) : Évaluation des performances photovoltaïques des dispositifs. - Efficacité quantique externe (EQE) : Analyse de la capacité de génération de photocourant.

b) Résultats principaux

1. Structure et propriétés optiques

L’analyse XRD montre que l’ajout de la couche interfaciale PZDI n’a pas modifié de manière significative la structure cristalline de l’hématite et de la pérovskite, mais a effectivement réduit la densité des défauts de surface. Les spectres de transmission montrent que l’introduction de PZDI a peu d’impact sur la transparence globale, avec une légère diminution de la transmission dans la plage visible. Les images SEM confirment en outre que les films modifiés par PZDI présentent une surface plus lisse et uniforme, ce qui aide à réduire la rugosité et les défauts interfaciaux.

2. Performances photovoltaïques

  • Augmentation du PCE : Le dispositif de référence sans modification affichait un PCE de seulement 13,0 %, tandis que l’ajout de la couche interfaciale PZDI a permis d’atteindre un PCE significativement amélioré de 17,5 %. Cette amélioration est principalement attribuée à une densité de courant de court-circuit plus élevée (Jsc=21,29 mA/cm²), une tension de circuit ouvert (Voc=1,13 V) et un facteur de remplissage (FF=72,91 %) supérieurs.
  • Amélioration de la stabilité : Après 500 heures de tests dans des conditions ambiantes, le dispositif cible a conservé 91,8 % de son efficacité initiale, contre seulement 82,9 % pour le dispositif de référence. Cela montre que la couche interfaciale PZDI peut efficacement inhiber la pénétration de l’humidité et la recombinaison interfaciale.

3. Transport de charge et cinétique de recombinaison

Les analyses PL et TRPL montrent que la couche interfaciale PZDI réduit considérablement l’intensité de la recombinaison radiative tout en raccourcissant la constante de temps de décroissance rapide (τ₁=4,82 ns), indiquant une extraction de charge plus efficace. De plus, les résultats EIS montrent que les dispositifs modifiés par PZDI présentent une résistance de recombinaison plus élevée, confirmant davantage leurs avantages en matière de réduction de la recombinaison interfaciale.

c) Conclusion et signification

Cette étude montre que la couche interfaciale PZDI joue un rôle clé dans l’optimisation du contact entre la couche ETL d’hématite et la couche absorbante pérovskite. Elle améliore non seulement le PCE et la stabilité des dispositifs, mais augmente également leur reproductibilité et leur potentiel pour une production à grande échelle. Ces résultats sont d’une grande importance pour accélérer la commercialisation des PSCs.

Sur le plan scientifique, cette recherche met en lumière le rôle central de l’ingénierie des interfaces dans l’amélioration des performances des cellules solaires pérovskites. Sur le plan applicatif, le PZDI, en tant que matériau interfacial simple et efficace, pourrait occuper une place importante dans les futures technologies PSC haute performance, durables et extensibles.

d) Points forts de la recherche

  1. Matériau interfacial innovant : Première utilisation de PZDI entre l’hématite ETL et la couche pérovskite, entraînant une amélioration significative des performances.
  2. Optimisation des performances globales : Le PZDI améliore non seulement le PCE, mais renforce également la stabilité et la reproductibilité des dispositifs.
  3. Caractérisation systématique : Combinaison de plusieurs techniques de caractérisation avancées pour analyser en profondeur le mécanisme d’action de PZDI.

e) Autres informations précieuses

L’équipe de recherche souligne que les travaux futurs devraient explorer davantage d’autres types de matériaux interfaciaux et leur potentiel d’application dans différents systèmes ETL. De plus, ils recommandent de combiner simulations théoriques et études expérimentales pour mieux comprendre l’impact des couches interfaciales sur le transport de charge et la cinétique de recombinaison.