Jonction d’effet de champ à l’échelle nanométrique pilotée par MXène pour panneaux solaires tandem pérovskite/silicium avancés à 4 bornes

Transformer la lumière du soleil en plus d’électricité

Les panneaux solaires sont désormais courants sur les toits et dans les champs, mais même nos meilleurs panneaux commerciaux gaspillent une grande partie de l’énergie du soleil. Cette étude montre une voie pratique pour extraire plus d’électricité de la même lumière solaire en empilant deux technologies solaires différentes — un matériau avancé appelé pérovskite au-dessus du silicium — et en les faisant fonctionner ensemble efficacement en conditions extérieures réelles. Le travail ne se contente pas de battre des records de laboratoire : il porte sur la construction de panneaux grands et durables qui pourraient s’intégrer facilement dans les usines solaires actuelles.

Pourquoi deux couches solaires valent mieux qu’une

Les cellules solaires au silicium dominent le marché et approchent de leur limite théorique d’efficacité d’environ 30 %. Les cellules pérovskites, une classe plus récente de matériaux, ont rapidement progressé en efficacité au laboratoire, mais rencontrent des défis lorsqu’il s’agit de les passer à l’échelle en modules grands et stables. En empilant une couche de pérovskite semi-transparente sur une cellule en silicium, chaque couche peut récolter des couleurs différentes du spectre solaire : la pérovskite utilise la partie à plus haute énergie du spectre et laisse le reste passer vers le silicium. Dans une configuration à quatre bornes, les deux couches fonctionnent comme des mini-centrales électriques séparées qui partagent la même lumière tout en gardant leurs circuits électriques indépendants, ce qui simplifie l’intégration avec les lignes de production de silicium existantes.

Concevoir une couche de pérovskite plus intelligente

L’innovation clé de ce travail est la réingénierie de la pérovskite elle-même pour déplacer les charges de manière plus propre. Les auteurs introduisent deux ingrédients dans la structure pérovskite. D’abord, une classe de matériaux ultra-fins connus sous le nom de MXènes, portant des atomes de chlore, est mélangée au précurseur de pérovskite. Ces flocons de MXène se rassemblent près de l’interface enfouie et contribuent à créer une région qui se comporte davantage comme un côté riche en électrons. Ensuite, un additif organique spécial est appliqué près de la surface pour transformer légèrement le matériau en un côté riche en trous et pour réparer des défauts qui autrement dissiperaient l’énergie en chaleur. Ensemble, ces deux traitements forment ce que les auteurs appellent une « jonction d’effet de champ » à l’intérieur d’une seule couche de pérovskite — imitant le champ électrique interne bénéfique d’une jonction p–n traditionnelle sans nécessiter l’empilement de deux films de pérovskite séparés.

Des petites cellules aux panneaux réels

Dans de petites cellules tests, ce design de pérovskite ingénieré fournit une tension plus élevée, plus de courant et moins d’hystérésis de performance, autant de signes de moins de défauts et d’une collecte de charge plus efficace. L’équipe étend ensuite l’approche à plus grande échelle. Ils fabriquent des modules pérovskite semi-transparents d’une aire active de 60 centimètres carrés, en utilisant des solvants de traitement plus écologiques et un usinage laser pour interconnecter 24 petites cellules sur une même plaque de verre. Ces modules atteignent des efficacités supérieures à 16 %, un bon résultat pour des dispositifs qui doivent à la fois générer de l’électricité et transmettre suffisamment de lumière vers la couche de silicium en dessous. Il est important de noter que la perte d’efficacité lors du passage des petites cellules de laboratoire à ces modules plus grands reste relativement faible, ce qui est crucial pour l’adoption industrielle.

Mettre les panneaux tandem à l’épreuve

Puis, les modules pérovskite sont stratifiés au-dessus de cellules commerciales hétérojonction bifaciales en silicium, créant des panneaux tandem à quatre bornes d’environ 0,2 mètre carré. Un démonstrateur atteint une efficacité de conversion de puissance d’environ 21 % dans des conditions d’essai standard en intérieur. Un panneau plus grand, combinant 16 modules pérovskite avec quatre cellules silicium bifaciales, délivre près de 19,5 % d’efficacité lors d’un test en extérieur et peut dépasser 23 milliwatts par centimètre carré lorsqu’il capte aussi la lumière réfléchie par le sol. Installée en Crète et surveillée pendant trois mois, la couche pérovskite conserve plus de 95 % de sa puissance initiale, avec seulement un déclin lent et modeste principalement au niveau du facteur de remplissage, tandis que la partie silicium ne montre pas de dégradation évidente.

Ce que cela signifie pour le futur de l’énergie solaire

Pour un non-spécialiste, l’essentiel est que les chercheurs ont montré une voie réaliste vers des panneaux solaires plus puissants sans bouleverser l’infrastructure silicium déjà en place. En utilisant des MXènes et des traitements de surface pour façonner un champ électrique interne à l’intérieur de la pérovskite, ils améliorent simultanément l’efficacité, la stabilité et l’évolutivité. Les tandems pérovskite/silicium à quatre bornes qui en résultent sont performants, peuvent être produits sur des surfaces comparables à celles des panneaux réels et résistent à des mois d’exposition extérieure. Avec des travaux supplémentaires pour réduire les coûts et affiner la fabrication, ce dispositif d’effet de champ pourrait aider à faire passer les panneaux solaires tandem de nouvelle génération du laboratoire aux toits et aux fermes solaires du monde entier.

Citation: Agresti, A., Pescetelli, S., Viskadouros, G. et al. MXene-driven nanoscale field-effect junction for advanced 4-terminal perovskite/silicon tandem solar panels. Nat Commun 17, 3394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70002-4

Mots-clés: tandem pérovskite silicium, MXène, jonction d’effet de champ, modules solaires semi-transparents, silicium bifacial