Percée d'efficacité certifiée de 26,2 % dans les modules tandems tout-pérovskite de grande surface : la jonction de recombinaison tunnel à nanocristaux d'In₂O₃

Introduction

Les modules solaires tandem tout-pérovskite sont largement considérés comme un concurrent sérieux pour la technologie photovoltaïque de prochaine génération 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 coupables 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 la dégradation du transport de charge dans les films de pérovskite Pb-Sn de grande surface causée par une cristallisation non uniforme lors de l'enduction par lame.

Cette étude développe une TRJ traitée en solution basée 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. En parallèle, 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 In₂O₃, renforcer l'extraction des trous et ajuster la cinétique de cristallisation afin de soulager les contraintes résiduelles 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 de l'extension des photovoltaïques tandem tout-pérovskite.

Conception et avantages de la nouvelle TRJ

Le travail propose une alternative traitée en solution : une nouvelle TRJ (type III) construite à partir de nanocristaux d'oxyde d'indium modifiés en surface (nanocristaux d'In₂O₃). 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 NC In₂O₃ auto-synthétisés ont une taille de particules beaucoup plus petite que les NC 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 charge.

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 de NC In₂O₃ 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 NC ont conservé environ 75 % de l'efficacité initiale après 200 heures. Sur un substrat de 10×10 cm², les films de NC enduits à la lame ont montré une absorption optique beaucoup plus uniforme que les films d'Au minces évaporés thermiquement, démontrant pleinement l'avantage inhérent des nanocristaux en solution pour la fabrication à grande échelle.

Optimisation de la fabrication de films de pérovskite à grande surface

Avec la perte optique et l'instabilité du TRJ résolues, la fabrication uniforme de films de pérovskite Pb-Sn à 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 de l'enduction à grande vitesse, ce qui rend difficile la formation de films uniformes sur de grands substrats.

Pour résoudre ce problème, l'équipe a développé un système de solvants binaires à base de 2-méthoxyéthanol (2-Me) et de tétrahydrofurane (THF). Avec son point d'ébullition bas et sa pression de vapeur élevée, ce système atteint rapidement la sursaturation critique et accélère nettement la nucléation. En l'utilisant, la vitesse d'enduction à la lame de la pérovskite Pb-Sn a été augmentée de 5 mm/s dans le système DMF traditionnel jusqu'à 30 mm/s, offrant 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 l'enduction à grande surface et a atteint une validation préliminaire de 17,5 % d'efficacité sur une surface d'ouverture de 65 cm².

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

Après l'élimination du 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 de 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

Grâce à l'échange de ligands, le MMES et le 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 le 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 d'un alignement optimisé des niveaux d'énergie.

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

L'équipe a dopé des HSM à base d'acide phosphonique tels que le 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 d'une 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 de type n s'est affaibli, correspondant mieux aux niveaux d'énergie des NCs d'In₂O₃. La cellule Pb-Sn à jonction unique sans HTL qui en résulte a atteint une efficacité de 23 %, tandis qu'un dispositif enduit à la lame utilisant des NCs In₂O₃-MMPA comme couche de transport de trous (HTL) a atteint une efficacité de 24,0 % en balayage inverse avec une JSC aussi élevée 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 coupaient à l'origine 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 ». Le GIWAXS et la DRX ont confirmé que le HSM supprimait efficacement la formation de la 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 les défauts était nettement supprimée après le dopage HSM. L'intensité de photoluminescence 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 de 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 que la longueur de diffusion est passée de 2,65 μm à 4,78 μm, confirmant une amélioration globale de la qualité du film en volume.

Performances et stabilité des modules de grande surface

S'appuyant sur ces stratégies synergiques, l'équipe a fabriqué un module tandem tout-pérovskite avec une surface d'ouverture de 65 cm² (14 sous-cellules en série). Le module champion utilisant le TRJ de type III (In₂O₃-MMPA) a atteint une efficacité de 26,6 % 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 le TRJ conventionnel de type I (24,8 %). Après optimisation de la zone morte, le facteur de remplissage géométrique a atteint 96,5 %, donnant une efficacité équivalente en 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 supérieures et inférieures 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 précédemment rapporté.

En termes de fiabilité, selon 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 en nanocristaux d'In₂O₃ ingénierés en surface et à une ingénierie synergique de la masse/interface HSM, ce travail a réussi à atteindre une efficacité certifiée de 26,2 % pour un module tandem tout-perovskite sur une surface d'ouverture de 65 cm², offrant 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 revêtement par fente (slot-die) ainsi que des méthodes comme la cristallisation assistée par vide, afin d'assurer une fabrication uniforme et de haute qualité des sous-cellules à large et à étroite bande interdite sur de grandes surfaces.

Équipement de référence et de test

Un testeur MPPT composite pour perovskite 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 perovskite grâce à une technologie avancée et une conception multifonctionnelle. Ces instruments sont principalement utilisés pour les tests de stabilité des cellules tandem et à jonction unique en perovskite finies. Étant donné que les caractéristiques de sortie des cellules à perovskite 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 par nanocristaux pour modules tandem tout-perovskite

Point de vue d'Ooitech

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