Polissage et reconstruction sans contact par laser pour des cellules solaires tandem tout-pérovskite à haute efficacité

Améliorer le rendement des panneaux solaires

Les panneaux solaires deviennent moins chers et plus répandus, mais les conceptions actuelles gaspillent encore une grande partie de l’énergie solaire sous forme de chaleur. L’une des approches les plus prometteuses pour extraire plus d’électricité de la lumière solaire consiste à empiler deux cellules solaires l’une sur l’autre, chacune étant optimisée pour une portion différente du spectre solaire. Cette étude montre comment un nouveau type de « polissage sans contact » par rayonnement laser peut corriger une faiblesse clé de ces cellules tandem pérovskite empilées et pousser leur efficacité proche de 30 %, un niveau attractif pour des applications futures sur toiture, en réseau ou même portables.

Pourquoi les cellules pérovskite empilées peinent

Les pérovskites sont des matériaux à structure cristalline qui absorbent très efficacement la lumière et sont faciles à fabriquer à partir de solutions. Pour dépasser les limites d’efficacité d’une seule cellule, les chercheurs empilent une pérovskite à large gap en haut d’une pérovskite à gap étroit, formant un tandem tout‑pérovskite. La cellule inférieure à gap étroit doit collecter la lumière rouge et proche infrarouge qui traverse la cellule supérieure, et sa performance fixe en grande partie le plafond du tandem. Malheureusement, les films étroits à base de plomb‑étain se forment souvent avec des surfaces rugueuses et riches en défauts. L’étain a tendance à s’accumuler et à s’oxyder près de la surface, l’iode devient déficient, et la surface bosselée établit un mauvais contact avec la couche d’extraction d’électrons. Ensemble, ces problèmes entraînent la recombinaison des porteurs de charge avant qu’ils ne puissent être collectés, gaspillent la tension et le courant.

Lisser avec la lumière plutôt qu’avec du papier abrasif

Les méthodes conventionnelles pour améliorer les surfaces pérovskite reposent sur des produits chimiques liquides ou un contact physique, qui peuvent endommager les films délicats et sont difficiles à contrôler sur de grandes surfaces. Dans ce travail, les auteurs développent une méthode de polissage par laser ultraviolet à picoseconde qui n’entre jamais en contact avec le film. Des impulsions laser ultracourtes érodent seulement les dizaines de nanomètres supérieurs défectueux, aplanissant la surface tout en minimisant le chauffage du cristal sous‑jacent. La microscopie montre que la rugosité moyenne diminue d’un facteur d’environ trois, et des mesures chimiques révèlent que l’excès d’étain et le déficit d’iode à la surface sont largement éliminés. La profondeur de polissage peut être ajustée par la puissance et la vitesse de balayage du laser, et l’équipe démontre une précision sub‑nanométrique et une excellente répétabilité sur de nombreux lots.

Reconstruire une couche de surface plus saine

Le polissage par laser ne se contente pas d’éliminer les aspérités ; il laisse une surface pérovskite avec de nombreux « sites A » vides dans le réseau cristallin — des positions où des ions organiques de grande taille ou des ions césium se logent habituellement. Les chercheurs traitent cette surface fraîchement exposée avec une solution contenant du bromure de guanidinium, dont les gros ions guanidinium peuvent former de fortes liaisons hydrogène et tendent à ralentir le mouvement ionique. Ces ions remplissent sélectivement les sites vacants proches de la surface, la reconstruisant en une couche pérovskite guanidinium–césium mieux ordonnée et moins contrainte qu’auparavant. La diffraction des rayons X et la microscopie électronique montrent que les distorsions de la maille cristalline disparaissent et que les quelques nanomètres supérieurs s’expansent légèrement, cohérent avec la taille plus grande du guanidinium. Les tests optiques révèlent une photoluminescence plus intense et des temps de vie des porteurs plus longs, signes d’un nombre réduit de défauts et d’une qualité de film plus uniforme sur de grandes surfaces.

Transformer des surfaces plus propres en meilleure efficacité

Lorsque l’équipe fabrique des dispositifs complets, les bénéfices se cumulent. Les cellules simples à gap étroit réalisées avec les surfaces polies et reconstruites affichent une tension, un courant et un facteur de remplissage supérieurs aux témoins non traités, tout en montrant beaucoup moins d’hystérésis — un indicateur que les ions mobiles et les interfaces instables ont été maîtrisés. La meilleure cellule plomb‑étain atteint une efficacité de conversion de puissance de 24,07 %, avec une certification indépendante à 23,47 %, en utilisant un procédé évolutif qui ne dépend pas du quenchant anti‑solvant. En empilant cette cellule inférieure améliorée sous une pérovskite supérieure à large gap, on obtient un tandem tout‑pérovskite à 29,80 % d’efficacité et une forte concordance entre le courant mesuré et la réponse spectrale. Des dispositifs plus grands et des mini‑modules fabriqués avec la même approche conservent de hautes efficacités, et les tandems encapsulés gardent environ 80 % de leur performance initiale après environ 650 heures d’exploitation continue.

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

En utilisant un laser sans contact pour éliminer précisément la matière défectueuse puis en reconstruisant les quelques nanomètres supérieurs avec une composition pérovskite plus robuste, ce travail s’attaque à l’un des principaux goulots d’étranglement des tandems pérovskite avancés : une interface rugueuse et instable qui gaspille la charge. Le résultat est des films plus lisses, une extraction de charge plus propre, une migration ionique réduite et des efficacités records pour des tandems tout‑pérovskite sans anti‑solvant. Parce que la méthode est réglable, rapide et compatible avec différents gaps et architectures de dispositifs, elle offre un outil largement utile pour rapprocher la technologie solaire pérovskite de ses limites théoriques et de son déploiement dans le monde réel.

Citation: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

Mots-clés: cellules solaires tandem pérovskite, polissage de surface au laser, ingénierie d’interface, photovoltaïque haute efficacité, technologie solaire en couches minces