Stratégie de cristallisation sensible à l’humidité pour des cellules solaires CsPbI3 efficaces fabriquées en conditions de forte humidité

Transformer l’air humide d’un problème en source d’énergie

Les cellules solaires fabriquées à partir d’un matériau cristallin appelé CsPbI3 promettent une énergie solaire peu coûteuse et très efficace, mais il y a un obstacle : elles doivent normalement être produites dans des salles très sèches et strictement contrôlées. L’humidité de l’air peut détruire leur structure cristalline pendant la fabrication, compromettant les performances et augmentant les coûts. Cette étude montre comment une aide chimique astucieuse peut transformer l’humidité d’un ennemi nuisible en un allié utile, permettant de fabriquer des cellules solaires CsPbI3 performantes dans de l’air ordinaire relativement humide.

Pourquoi ce matériau solaire est si fragile

Le CsPbI3 est une pérovskite inorganique, une famille de matériaux réputée pour absorber la lumière de manière exceptionnelle. Dans sa forme « noire » souhaitable, le CsPbI3 convertit efficacement la lumière en électricité et est chimiquement robuste. Cependant, la petite taille des ions césium contraint la maille cristalline, la rendant susceptible de basculer vers une forme « jaune » moins utile qui absorbe à peine la lumière. Les molécules d’eau présentes dans l’air accélèrent cette transition indésirable en favorisant la création de petites vacanciés et distorsions dans le cristal. En conséquence, la plupart des dispositifs CsPbI3 à haut rendement doivent être fabriqués dans des environnements secs et inertes avec une humidité relative inférieure à environ 40 %, ce qui est coûteux et difficile à industrialiser.

Un additif intelligent vis-à-vis de l’humidité entre en jeu

Les chercheurs abordent ce défi en ajoutant une petite molécule organosilane, le propyltriéthoxysilane (PTES), directement dans « l’encre » liquide utilisée pour déposer des films fins de CsPbI3. Le PTES entretient une relation particulière avec l’eau : en air humide, il réagit lentement avec l’humidité pour former des groupes siloxane capables de se lier à la fois à des parties de la pérovskite et à un composé intermédiaire (DMAPbI3) qui se forme pendant la croissance cristalline. Ce faisant, le PTES aide à extraire les ions diméthylammonium (DMA+) de l’intermédiaire et facilite la prise de leur place par les ions césium, accélérant la transformation vers la phase noire désirée de CsPbI3. Parallèlement, les molécules de PTES hydrolysées commencent à se relier entre elles pour constituer un réseau autour et au sein du cristal en formation.

Comment le réseau invisible améliore les cristaux

Au fur et à mesure de la fabrication en air à environ 55 % d’humidité relative, les groupes issus du PTES se lient pour former des ponts Si–O–Si et Si–O–Pb, créant une ossature réticulée et partiellement hydrophobe dans et autour des grains de pérovskite. Des mesures par diffraction X, spectroscopie Raman, microscopie électronique et analyse de surface montrent que ce réseau réduit les contraintes internes, lisse la surface du film et diminue la densité de défauts atomiques tels que les atomes d’iode manquants. Les cristaux deviennent plus grands, plus homogènes et structurellement plus stables, avec moins de sites où l’eau et l’oxygène peuvent initier la dégradation. Au niveau électronique, le paysage énergétique à l’intérieur du film évolue de manière à favoriser la séparation et le transport efficaces des charges, allonger la durée de vie des porteurs photo-générés et réduire les pertes non radiatives.

Du film de laboratoire au dispositif solaire opérationnel

Lorsque ces films traités au PTES sont assemblés en cellules solaires complètes, leurs performances augmentent sensiblement par rapport aux dispositifs non traités fabriqués dans les mêmes conditions humides. À 55 % d’humidité relative en air ordinaire, les cellules améliorées atteignent un rendement de conversion de puissance de 21,00 % et un facteur de remplissage exceptionnellement élevé de 86,1 %, indiquant que la majeure partie des charges générées est effectivement collectée. En ajustant l’humidité et les conditions de traitement, l’équipe pousse encore les efficacités, obtenant 21,85 % à 25 % d’humidité relative et 22,60 % (certifié 22,02 %) lorsque le film est déposé par spin-coating en azote puis chauffé en air ambiant. Des dispositifs de plus grande surface fonctionnent également bien, et des tests à long terme montrent que les cellules traitées au PTES conservent une large fraction de leur production initiale sous éclairage et humidité, surpassant de loin les témoins.

Ce que cela signifie pour les futurs panneaux solaires

En termes concrets, l’étude introduit une « ossature moléculaire » intelligente qui transforme l’humidité problématique en partenaire utile lors de la fabrication des cellules solaires. Le PTES capture et élimine les ions indésirables, guide la croissance de la bonne forme cristalline, puis verrouille cette structure à l’aide d’un réseau résistant à l’humidité. Cela permet de produire des cellules solaires CsPbI3 à haut rendement dans des environnements beaucoup moins contraignants sans sacrifier les performances ni la stabilité. Si cette approche est montée en échelle, elle pourrait réduire les coûts de production et simplifier la conception des usines, rapprochant des panneaux solaires pérovskites inorganiques durables d’un déploiement réel à grande échelle.

Citation: Dai, W., Li, J., Gou, Y. et al. Moisture-responsive crystallization strategy for efficient CsPbI₃ solar cells fabricated under high-humidity conditions. Nat Commun 17, 3363 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69687-4

Mots-clés: cellules solaires pérovskites, CsPbI3, fabrication tolérante à l’humidité, additifs cristallins, photovoltaïque stable