Dérivés hétéroaryles pour les couches de transport de trous améliorant la stabilité thermique des cellules solaires à pérovskite

Prolonger la durée de vie des panneaux solaires par temps chaud

Les panneaux solaires fonctionnent au mieux lorsqu’ils peuvent supporter des années d’exposition au soleil et à la chaleur sans perdre en puissance. Un type prometteur de cellule appelé cellule solaire à pérovskite peut déjà convertir la lumière du soleil en électricité avec une efficacité comparable à celle des panneaux en silicium actuels, mais il a tendance à se dégrader à haute température. Cette étude explore une approche chimique ingénieuse pour rendre ces cellules de pointe beaucoup plus résistantes à la chaleur, les rapprochant d’une utilisation sur de vrais toits et centrales solaires.

Le maillon faible d’une technologie solaire prometteuse

Les cellules à pérovskite ont vu leur rendement croître de façon spectaculaire au cours de la dernière décennie et figurent désormais parmi les meilleures en laboratoire. Elles sont fines, légères et peuvent être fabriquées par des procédés en solution relativement simples, ce qui les rend intéressantes pour une production de masse à faible coût. Cependant, leur stabilité à long terme, en particulier à haute température, reste insuffisante pour des applications sur réseau électrique. Une source majeure de problèmes se situe dans un mince revêtement organique appelé couche de transport de trous, qui facilite l’extraction des charges positives depuis la pérovskite absorbant la lumière. La recette standard pour cette couche repose sur une petite molécule appelée 4‑tert‑butylpyridine (tBP). À des températures élevées, le tBP a tendance à s’évaporer et à réagir avec la pérovskite, créant de minuscules vides et des sous‑produits chimiques qui dégradent progressivement les performances de l’appareil.

Remplacer par de meilleures molécules auxiliaires

Les chercheurs se sont attelés à repenser cette couche vulnérable sans modifier l’architecture de base de l’appareil. Ils se sont concentrés sur une famille de molécules organiques en anneau connues sous le nom de dérivés hétéroaryles, qui peuvent être ajustées en changeant l’emplacement et la nature des groupes chimiques additionnels. En comparant systématiquement 36 dérivés différents et 60 combinaisons avec d’autres additifs, ils ont recherché des versions qui resteraient en place dans la couche de transport de trous, éviteraient d’attaquer la pérovskite et favoriseraient toujours une extraction rapide des charges. Trois composés à structure phényl–pyridine — 4‑phénylpyridine, 3‑phénylpyridine et 2‑phénylpyridine — se sont révélés particulièrement prometteurs. Ces molécules ont des points d’ébullition plus élevés que le tBP et des formes plus volumineuses qui réduisent les réactions indésirables à l’interface.

Observer le vieillissement des cellules solaires au four

Pour évaluer la robustesse en conditions réelles, l’équipe a fait fonctionner des cellules solaires à 85 °C pendant des milliers d’heures, un test d’accélération standard. Les dispositifs fabriqués avec l’additif tBP conventionnel ont subi une chute dramatique du rendement de conversion photovoltaïque en quelques jours. En revanche, les cellules utilisant la 3‑phénylpyridine ou la 2‑phénylpyridine ont non seulement conservé leurs performances mais ont même montré de légères améliorations, restant à 101 % et 104 % de leur efficacité initiale après environ 2 400 heures de chaleur. Les images microscopiques ont révélé la raison : dans les dispositifs à base de tBP, la couche de transport de trous développait de grands vides et des fissures qui perturbaient le contact électrique. Avec les nouveaux additifs, cette couche est restée lisse et continue, même lorsqu’elle était suffisamment épaisse pour des méthodes de dépôt évolutives.

Comment les nouveaux additifs protègent la cellule

Plusieurs mesures ont permis de reconstituer le mécanisme sous‑jacent. La diffraction des rayons X a montré que la 2‑ et la 3‑phénylpyridine réagissaient beaucoup moins avec la pérovskite, formant moins de composés indésirables. Des expériences de profilage en profondeur ont indiqué que, contrairement au tBP, ces additifs restaient largement confinés à la couche de transport de trous au lieu de migrer dans la pérovskite. Des simulations informatiques et des études spectroscopiques suggèrent que leurs formes et modes de liaison particuliers réduisent la volatilité et la réactivité tout en se coordonnant correctement avec les dopants au lithium. Des tests de photoluminescence ont en outre révélé que les nouveaux additifs permettent un transfert de charge plus rapide et plus efficace de la pérovskite vers la couche de transport de trous, ce qui favorise des tensions de fonctionnement plus élevées et une meilleure efficacité globale.

Haute efficacité en laboratoire et sous le soleil réel

De manière importante, les avantages thermiques ne se sont pas faits au détriment des performances. Des cellules optimisées utilisant la 2‑phénylpyridine ont atteint un rendement de conversion de 25 %, les plaçant au niveau des meilleures cellules à pérovskite rapportées à ce jour. De petits modules solaires fabriqués avec ces additifs ont également montré de bonnes performances, démontrant que la stratégie peut être mise à l’échelle au‑delà de petites cellules test. Lors d’essais en extérieur sous le soleil réel, les dispositifs avec 2‑phénylpyridine ont conservé environ 90 % de leur tension de fonctionnement et 94 % de leur puissance après plus de 1 500 heures de suivi continu au point de puissance maximale, une condition de cyclage exigeante.

Rapprocher les cellules solaires à pérovskite durables de la réalité

Pour les non‑spécialistes, la conclusion est simple : en repensant soigneusement une couche de support des cellules à pérovskite avec des molécules au comportement amélioré, les auteurs ont considérablement prolongé la durée de vie de ces cellules à haute température tout en augmentant leur production d’énergie. Ce travail montre que les problèmes de stabilité ne sont pas un défaut inévitable des pérovskites, mais peuvent être résolus par une chimie intelligente aux interfaces. Si de telles conceptions thermiquement robustes peuvent être intégrées à la fabrication de grandes surfaces, les panneaux solaires à pérovskite pourraient devenir des candidats pratiques pour des installations durables sur toits et à l’échelle industrielle.

Citation: Kanda, H., Mondal, S., Eguchi, N. et al. Heteroaryl derivatives for hole-transport layers improve thermal stability of perovskite solar cells. Nat Commun 17, 1664 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-68236-9

Mots-clés: cellules solaires à pérovskite, stabilité thermique, couche de transport de trous, additifs organiques, durabilité photovoltaïque