Introduction

Les modules solaires tandem tout-perovskite sont largement considérés comme un candidat sérieux pour la prochaine génération de technologie photovoltaïque grâce à leur haute efficacité et leur potentiel de faible coût. Pourtant, la commercialisation à grande surface a été sérieusement freinée. Alors que les dispositifs de petite surface ont déjà dépassé 30 % d'efficacité, les modules de grande surface (≥20 cm²) sont restés longtemps bloqués autour de 24,5 %. Les principaux responsables sont la forte absorption parasite dans le proche infrarouge et l'instabilité thermique interfaciale de la structure Au/PEDOT:PSS dans les jonctions de recombinaison tunnel (TRJ) conventionnelles à base d'or, ainsi que le transport de charge dégradé dans les films de pérovskite Pb-Sn de grande surface causé par une cristallisation non uniforme lors du revêtement par lame.

Cette étude développe une TRJ traitée en solution construite sur des nanocristaux d'In₂O₃ modifiés en surface. En ajustant la morphologie des nanocristaux et la chimie de surface, l'équipe a obtenu une transparence optique élevée, des interfaces lisses et un alignement idéal des niveaux d'énergie. Parallèlement, des additifs de type acide phosphonique ont été introduits dans le précurseur de pérovskite Pb-Sn pour améliorer le contact électronique avec la couche de recombinaison d'In₂O₃, améliorer l'extraction des trous et ajuster la cinétique de cristallisation pour soulager la contrainte résiduelle dans les films de grande surface. Cette stratégie combinée améliore simultanément l'efficacité de recombinaison des porteurs à la jonction, l'extraction de charge et l'uniformité des films de grande surface, aboutissant finalement à une efficacité certifiée JET de 26,2 % sur une surface d'ouverture de 65 cm² (VOC = 2,182 V, FF = 77,4 %, JSC = 15,6 mA cm⁻²) — une étape clé sur la voie du passage à l'échelle supérieure du photovoltaïque tandem tout-perovskite.

Conception et avantages de la nouvelle TRJ

Le travail propose une alternative par voie solution : une nouvelle TRJ (Type III) construite à partir de nanocristaux d'oxyde d'indium (In₂O₃ NCs) modifiés en surface. Elle est systématiquement comparée à la structure conventionnelle de Type I Au/PEDOT:PSS et à une structure de Type II basée sur des nanocristaux d'ITO commerciaux.

Caractéristiques de structure et d'interface

Les In₂O₃ NCs auto-synthétisés ont une taille de particule beaucoup plus petite que les NCs d'ITO commerciaux, formant une interface enterrée plus lisse et réduisant efficacement la densité de défauts de contact. Les tests électriques montrent que la structure de Type III présente un comportement de contact ohmique idéal sans barrière de transport de charges.

Stabilité optique et thermique

La caractérisation optique montre que le PEDOT:PSS dans le Type I provoque une perte d'absorption parasite sévère, tandis que le film d'In₂O₃ NCs est hautement transparent optiquement. Sous vieillissement thermique accéléré à 85°C, l'efficacité du module de Type I a chuté à moins de la moitié de sa valeur initiale en 50 heures, tandis que les Types II et III à base de NCs ont conservé environ 75 % de l'efficacité initiale après 200 heures. Sur un substrat de 10×10 cm², les films de NCs déposés par lame ont montré une absorption optique bien plus uniforme que les films minces d'Au déposés par évaporation thermique, démontrant pleinement l'avantage inhérent des nanocristaux en solution pour la fabrication à grande échelle.

Optimisation de la fabrication de films de pérovskite de grande surface

Avec la résolution des problèmes de perte optique et d'instabilité de la TRJ, la fabrication uniforme de films de pérovskite Pb-Sn de grande surface est devenue le prochain obstacle technique. Les systèmes de solvants conventionnels DMF/DMSO ont des points d'ébullition élevés et une volatilité lente, de sorte que leur cinétique de nucléation est en retard lors du dépôt par lame à haute vitesse, rendant difficile la formation de films uniformes sur de grands substrats.

Pour résoudre ce problème, l'équipe a développé un système de solvants binaires basé sur le 2-méthoxyéthanol (2-Me) et le tétrahydrofurane (THF). Avec son point d'ébullition bas et sa pression de vapeur élevée, ce système atteint rapidement une sursaturation critique et accélère nettement la nucléation. En l'utilisant, la vitesse de dépôt par lame de la pérovskite Pb-Sn a été augmentée de 5 mm/s dans le système DMF traditionnel jusqu'à 30 mm/s, produisant une intensité de photoluminescence (PL) hautement uniforme et une excellente cohérence des dispositifs sur des substrats de 10×10 cm² et plus grands. Cela a réussi à résoudre le défi de la cinétique de cristallisation pour le dépôt de grande surface et a permis une validation préliminaire de 17,5 % d'efficacité sur une surface d'ouverture de 65 cm².

Ingénierie des ligands de surface et ajustement des niveaux d'énergie

Après avoir retiré le PEDOT:PSS, les pertes optiques ont diminué, mais la tension en circuit ouvert (VOC) et le facteur de remplissage (FF) ont baissé, attribués à l'augmentation des barrières de transport interfaciales et à la recombinaison non radiative entre la pérovskite et la couche NC. Pour y remédier, l'étude a mis en œuvre une stratégie d'optimisation synergique double :

Ingénierie des ligands de surface pour ajuster les niveaux d'énergie

Par échange de ligands, MMES et MMPA ont été utilisés pour modifier la surface des NCs d'In₂O₃. La spectroscopie photoélectronique UV (UPS) a montré que les NCs d'In₂O₃ modifiés par MMPA atteignent une courbure de bande interfaciale favorable avec le film de pérovskite cible (courbure ascendante d'environ 50 meV), favorisant significativement l'extraction des trous, tandis que la modification par OAm ou MMES a provoqué une courbure descendante et une barrière de transport. Les tests de courant limité par charge d'espace (SCLC) ont exclu toute interférence des ligands sur la mobilité elle-même, confirmant que le gain de performance provient principalement de l'alignement optimisé des niveaux d'énergie.

Dopage en volume avec un matériau sélectif de trous à base d'acide phosphonique (HSM)

L'équipe a dopé des HSM à base d'acide phosphonique tels que MeO-2PACz directement dans le précurseur de pérovskite Pb-Sn (optimisé à 0,2 % molaire) plutôt que de les limiter à la modification d'interface. Cette stratégie de dopage en volume évite le problème de couverture inégale du SAM sur de grandes surfaces. L'UPS a montré qu'après le dopage HSM, le travail de sortie de la pérovskite est passé de 5,04 eV à 4,81 eV, le maximum de la bande de valence s'est déplacé vers le haut et le caractère n s'est affaibli, s'adaptant mieux aux niveaux d'énergie des NCs d'In₂O₃. La cellule Pb-Sn à jonction unique sans HTL a atteint 23 % d'efficacité, tandis qu'un dispositif enduit à la lame utilisant des NCs d'In₂O₃-MMPA comme couche de transport de trous (HTL) a atteint 24,0 % d'efficacité en balayage inverse avec un JSC aussi élevé que 33,8 mA cm⁻².

Rôles multiples du HSM sur le film de pérovskite

Le rôle du HSM va bien au-delà du transport de charges — il influence profondément la cristallisation du film et la passivation des défauts :

Contrôle de la cristallisation et suppression des défauts

La microscopie électronique à balayage (SEM) a montré qu'après le dopage HSM, les impuretés dendritiques qui traversaient initialement les joints de grains dans le film Pb-Sn ont disparu, la taille des grains a augmenté de manière marquée et les joints de grains ont pris une apparence « fusionnée ». GIWAXS et XRD ont confirmé que le HSM supprime efficacement la formation de phase d'impureté PbI₂. La RMN ¹H en phase liquide a en outre révélé que le HSM, par déprotonation préférentielle, consomme les groupes acides phosphoniques libres, empêchant ainsi leur déprotonation acide des cations FA⁺ et stabilisant la chimie du précurseur.

Dynamique des porteurs améliorée

La spectroscopie d'absorption transitoire (TAS) a montré que la recombinaison non radiative assistée par défauts était nettement supprimée après le dopage HSM. L'intensité de PL en régime permanent a fortement augmenté, la durée de vie moyenne de PL est passée de 1042 ns à 1889 ns, avec une passivation particulièrement forte à l'interface inférieure, réduisant efficacement le piégeage des charges à l'interface enterrée. La spectroscopie OPTP a montré que la mobilité des porteurs du film cible est passée de 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ à 36 cm² V⁻¹ s⁻¹ et la longueur de diffusion de 2,65 μm à 4,78 μm, confirmant une amélioration globale de la qualité du film massif.

Performances et stabilité des modules de grande surface

S'appuyant sur ces stratégies synergiques, l'équipe a fabriqué un module tandem tout-perovskite avec une surface d'ouverture de 65 cm² (14 sous-cellules en série). Le module champion utilisant la TRJ de type III (In₂O₃-MMPA) a atteint une efficacité de 26,6 % mesurée en laboratoire (balayage inverse), avec une VOC de 30,4 V, une JSC de 1,12 mA cm⁻² et un FF de 78,2 %. Son efficacité stabilisée certifiée JET a atteint 26,2 %, surpassant clairement le module témoin utilisant la TRJ conventionnelle de type I (24,8 %). Après optimisation de la zone morte, le facteur de remplissage géométrique a atteint 96,5 %, donnant une efficacité équivalente de surface active aussi élevée que 27,6 %. La cartographie spatiale EQE a montré que, sur 16 positions différentes, les densités de courant intégrées des sous-cellules supérieure et inférieure étaient en moyenne de 16,3 et 16,2 mA cm⁻² respectivement — correspondant étroitement aux résultats J-V et dépassant toutes deux le goulot d'étranglement du module de moins de 15 mA cm⁻² rapporté précédemment.

En termes de fiabilité, suivant la norme IEC 61215:2021, le module encapsulé de type III a atteint une durée de vie T90 (conservant 90 % de l'efficacité initiale) de 771 heures sous suivi MPP continu à 1 soleil, et maintenait encore 82,5 % d'efficacité après 1000 heures. Dans le test exigeant de chaleur humide à 85 °C/85 % HR (ISOS-D-3), le module de type III a atteint une durée de vie moyenne T84 de 1000 heures, tandis que le module de type I était déjà tombé en dessous de 40 % d'efficacité ; dans le test de cyclage thermique de -40 °C à 85 °C (ISOS-T-3), le module de type III a conservé 93 % de l'efficacité initiale après 200 cycles. Toutes les expériences de vieillissement accéléré ont confirmé que la stabilité exceptionnelle du type III provient de l'élimination complète des facteurs d'instabilité déclenchés par le PEDOT:PSS.

Grâce à des jonctions de recombinaison à nanocristaux d'In₂O₃ conçues en surface et à une ingénierie synergique HSM de volume/interface, ce travail a réussi à obtenir un module tandem tout-perovskite certifié à 26,2 % d'efficacité sur une surface d'ouverture de 65 cm², réalisant des avancées complètes en termes de taille de module, d'efficacité et de stabilité opérationnelle. Ce travail démontre fortement le potentiel de commercialisation de la technologie photovoltaïque tandem tout-perovskite. À l'avenir, pousser la surface du module au-delà de 800 cm² nécessitera une optimisation synergique des procédés de dépôt tels que le slot-die coating ainsi que des méthodes comme la cristallisation assistée par vide, pour garantir une fabrication uniforme et de haute qualité des sous-cellules à large et à faible bande interdite.

Équipement de référence et de test

Un testeur MPPT composite à pérovskite utilisant un simulateur solaire LED de grade A+AA+ comme source de vieillissement fournit un soutien solide à la recherche sur les cellules solaires à pérovskite grâce à une technologie avancée et une conception multifonctionnelle. Ces instruments sont principalement utilisés pour les tests de stabilité des cellules tandem et monocouches à pérovskite finies. Étant donné que les caractéristiques de sortie des cellules à pérovskite sont facilement affectées par des facteurs environnementaux tels que la lumière et la température, le point de puissance maximale fluctue fréquemment. Un contrôleur MPPT suit et verrouille le point de puissance maximale en temps réel, garantissant que le système fonctionne toujours à la puissance de sortie optimale.

Référence : Recombinaison adaptée aux nanocristaux pour les modules tandem tout-perovskite

Avis d'Ooitech

Ooitech estime que les jonctions de recombinaison à nanocristaux d'In₂O₃ conçues en surface associées à l'ingénierie HSM de volume/interface ont porté les grands modules tandem tout-perovskite à une efficacité certifiée de 26,2 %, rapprochant ainsi cette technologie d'un pas décisif de la commercialisation.