Produit tension en circuit ouvert–facteur de remplissage élevé dans les cellules solaires à pérovskite rendu possible par la modulation d’hétérojonction ferroélectrique

Pourquoi des cellules solaires plus intelligentes comptent

Les panneaux solaires sont désormais courants sur les toits et dans les champs, mais la technologie qui les soutient évolue encore rapidement. Une solution prometteuse, la cellule solaire à pérovskite, a connu une montée en puissance de son rendement au cours de la dernière décennie et pourrait rendre l’énergie solaire moins coûteuse et plus accessible. Pourtant, de petites pertes d’énergie internes empêchent encore ces cellules d’atteindre leur plein potentiel. Cette étude présente une nouvelle manière de réorganiser les couches actives des cellules à pérovskite pour faciliter le flux d’électricité et réduire les pertes, rapprochant ainsi les performances de la limite théorique pour ce type de matériau.

Tirer le meilleur de chaque rayon de lumière

Une cellule solaire convertit la lumière incidente en charges électriques séparées qui peuvent être extraites sous forme de courant. Deux grandeurs clés décrivent cette conversion : la tension en circuit ouvert, qui indique la « poussée » dont dispose chaque charge, et le facteur de remplissage, qui reflète l’efficacité avec laquelle cette poussée est transformée en puissance utile. Dans les meilleurs dispositifs à pérovskite actuels, ces deux paramètres sont freinés par des imperfections internes. De minuscules défauts dans le film absorbant la lumière et à ses interfaces agissent comme des pièges où les charges se recombinent, dissipant l’énergie sous forme de chaleur plutôt que d’électricité. Parallèlement, le champ électrique interne qui devrait guider les charges vers les contacts est souvent plus faible qu’idéal, en particulier dans la configuration « inversée » populaire. Le défi consiste à renforcer cette force motrice interne tout en éliminant les pièges responsables de la recombinaison.

Ajouter une fine couche d’aide

Les chercheurs ont abordé ce problème en insérant des couches extrêmement fines de pérovskites « ferroélectriques » spéciales dans la pérovskite principale absorbant la lumière. Les matériaux ferroélectriques possèdent de minuscules dipôles électriques intrinsèques qui peuvent s’aligner pour créer des champs internes intenses. L’équipe a incorporé des structures pérovskites ferroélectriques bidimensionnelles — connues sous les phases Dion–Jacobson et Ruddlesden–Popper — dans un film pérovskite trois dimensions standard. Le résultat est une hétérojonction basée sur le ferroélectrique, où des types de pérovskite légèrement différents coexistent à l’intérieur d’une même couche. Ces régions intégrées remplissent une double fonction : elles renforcent le champ électrique interne qui sépare les charges et servent de germes qui orientent la cristallisation du reste du film lors de sa formation.

Assainir le paysage cristallin

Pour évaluer l’impact de ce nouveau design sur le matériau, l’équipe a observé la croissance de la couche pérovskite en temps réel à l’aide de sondes optiques. Ils ont constaté que de petites cristallites ferroélectriques aident à contrôler le moment et le lieu de nucléation et de croissance de la pérovskite principale. Au lieu de se former de manière hâtive et inégale, le film se développe de façon plus graduelle et uniforme. L’imagerie et les tests électriques ont confirmé que les films finis présentent des grains plus grands et plus réguliers, moins de poches résiduelles d’iodure de plomb et une densité de défauts bien moindre où les charges pourraient être perdues. Le temps moyen de vie des charges avant recombinaison s’est significativement allongé, montrant que les pièges ont été efficacement supprimés.

Une poussée interne plus forte pour les charges

Au-delà de cristaux plus propres, les ajouts ferroélectriques reconfigurent le paysage électrique du dispositif. Les mesures du potentiel de surface ont révélé un environnement électrique plus uniforme à travers le film, tandis que les mesures des niveaux d’énergie ont montré que la couche absorbante s’aligne désormais mieux avec le contact collecteur de trous. Cet alignement, associé à la polarisation des régions ferroélectriques, augmente le potentiel intégré — la « tension » interne qui aide à attirer électrons et trous vers des côtés opposés. En conséquence, les charges se déplacent plus rapidement et sont moins susceptibles d’être piégées par des défauts ou de se recombiner. Des mesures à l’échelle du dispositif ont confirmé ces améliorations : la tension en circuit ouvert et le facteur de remplissage se sont accrus, et la recombinaison indésirable sous éclairage a été réduite.

Vers des performances solaires idéales

Lorsque ces effets sont combinés dans des cellules solaires complètes, les bénéfices sont remarquables. Les meilleurs dispositifs ont atteint un rendement de conversion de puissance de 26,62 %, avec une valeur certifiée de manière indépendante de 26,07 %. Plus révélateur encore, le produit de la tension et du facteur de remplissage a atteint environ 90 % de la limite fondamentale de Shockley–Queisser pour la largeur de bande de ce matériau, ce qui signifie que les cellules laissent très peu de marge pour des pertes supplémentaires sur ces deux paramètres clés. Les dispositifs ont aussi conservé plus de 85 % de leur efficacité initiale après 500 heures d’opération continue, indiquant une bonne stabilité. En termes clairs, l’intégration soignée de régions ferroélectriques dans les cellules solaires à pérovskite offre aux charges un chemin plus net et plus puissant à suivre et réduit les endroits où elles peuvent se coincer, rapprochant les modules solaires pratiques de leur meilleur rendement théorique.

Citation: Wu, N., Ni, H., Niu, T. et al. High Open-Circuit Voltage–Fill factor product in perovskite solar cells enabled by ferroelectric heterojunction modulation. Nat Commun 17, 2897 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69391-3

Mots-clés: cellules solaires à pérovskite, matériaux ferroélectriques, défauts cristallins, rendement des cellules solaires, photovoltaïque en couches minces