Couche tampon d’oxyde d’antimoine pour cellules solaires à base de pérovskite monocouche et bicouche

Nouveaux moyens de capter davantage de lumière solaire

Les panneaux solaires approchent de leurs limites physiques, si bien qu’arracher ne serait-ce qu’un surcroît de lumière peut signifier une énergie propre moins coûteuse. Cette étude montre comment un matériau peu connu, l’oxyde d’antimoine, peut rendre les cellules solaires pérovskite–silicium de pointe à la fois plus efficaces et plus faciles à fabriquer à des tailles utiles.

Pourquoi les cellules tandem actuelles gaspillent de la lumière

Certaines des cellules solaires les plus performantes empilent une cellule pérovskite au‑dessus d’une cellule silicium, permettant à chacune d’absorber une partie différente du spectre solaire. Entre ces couches se trouvent des films ultra‑fins qui guident les charges électriques et protègent les matériaux fragiles pendant le procédé. Un matériau tampon couramment utilisé, une forme d’oxyde d’étain déposée atome par atome, remplit bien cette fonction mais réagit chimiquement avec la pérovskite. Pour protéger la pérovskite, les ingénieurs ont été contraints d’ajouter une couche plus épaisse d’un matériau carboné appelé fullerène. Cette épaisseur supplémentaire, toutefois, absorbe la lumière bleue et violette utile au lieu de la laisser atteindre les couches actives, dérobant silencieusement courant et rendement au dispositif.

Une couche protectrice plus douce qui laisse passer plus de lumière

Les chercheurs ont remplacé la couche réactive d’oxyde d’étain par un film d’oxyde d’antimoine déposé par simple évaporation thermique. Ce procédé transforme doucement la poudre en vapeur qui se condense en un revêtement lisse, évitant la chimie agressive qui endommage les pérovskites. Parce que l’oxyde d’antimoine est plus bienveillant envers la couche sous‑jacente, le film de fullerène au‑dessus de la pérovskite peut être aminci de 15 nanomètres à seulement 5 nanomètres sans sacrifier la stabilité. Un fullerène plus fin signifie moins d’absorption parasite dans la plage de longueurs d’onde de 300 à 560 nanomètres, permettant à plus de lumière à courtes longueurs d’onde d’être convertie en électricité par la cellule pérovskite supérieure.

Autoroutes cachées pour les charges électriques

En observant de près avec des microscopes électroniques et des sondes électriques spécialisées, l’équipe a découvert que le film d’oxyde d’antimoine n’est pas uniformément vitreux. Il combine plutôt des régions amorphes et de minuscules cristaux ordonnés. Ces nanocristaux s’alignent de façon à former des voies verticales pour les électrons, tandis que le matériau amorphe environnant reste plus isolant. Des mesures supplémentaires suggèrent que des défauts associés aux atomes d’antimoine créent des états énergétiques qui aident les électrons à franchir la barrière d’énergie entre les couches. Ensemble, ces caractéristiques permettent aux charges de circuler rapidement à travers la couche tampon dans la direction souhaitée, tout en bloquant les fuites indésirables latérales.

Des cellules en laboratoire aux panneaux de plus grande taille

Pour montrer que l’oxyde d’antimoine est pratique, les chercheurs l’ont testé à la fois dans des cellules pérovskite simples et dans des tandems pérovskite–silicium complets. Les cellules simples avec différentes largeurs de bande ont toutes atteint des rendements élevés supérieurs à 22 %, la meilleure culminant à 23,18 %, équivalant aux dispositifs en oxyde d’étain de pointe fabriqués par des méthodes similaires. Lorsqu’intégrée dans des cellules tandem d’une surface d’un centimètre carré, la nouvelle couche tampon a porté le rendement de conversion de puissance à 30,28 %, principalement en augmentant le courant de la cellule pérovskite supérieure d’environ 1 milliampère par centimètre carré. Surtout, l’approche s’est bien mise à l’échelle : un module totalement encapsulé avec une surface apparente de 64,64 centimètres carrés a atteint 28,16 % d’efficacité, avec une valeur certifiée indépendamment de 27,70 %, et a montré peu de dégradation lors d’expositions prolongées à la lumière et à la chaleur.

Ce que cela signifie pour les futurs panneaux solaires

Pour un public non spécialiste, le message principal est qu’un changement subtil dans une couche presque invisible d’une cellule solaire peut se traduire par des gains remarquables dans la quantité de lumière captée, sans rendre la fabrication plus complexe ou plus fragile. L’oxyde d’antimoine offre un moyen de protéger délicatement les couches pérovskite tout en laissant passer plus de lumière et en transportant les charges efficacement, tant dans de petites cellules d’essai que dans des modules plus grands. Cette combinaison d’un meilleur rendement, d’une bonne stabilité et d’un coût de traitement réduit ouvre la voie à des panneaux solaires tandem pouvant dépasser 35 % d’efficacité et devenir attractifs pour une utilisation commerciale répandue.

Citation: Shi, B., Sunli, Z., Liu, P. et al. Antimony oxide buffer layer for single- and double-junction perovskite-based solar cells. Nat Commun 17, 4394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70848-8

Mots-clés: cellules solaires pérovskite, cellules solaires tandem, oxyde d’antimoine, couche tampon, rendement solaire