Régulation de la cinétique de réaction hydrothermale avec du sulfure de sodium pour des cellules solaires Sb2(S,Se)3 certifiées à 10,7 % d’efficacité

Matériaux solaires plus intelligents pour un avenir plus propre

Les panneaux solaires deviennent moins coûteux et plus répandus, mais chaque pourcentage supplémentaire d’efficacité compte encore pour réduire les émissions de carbone et abaisser le coût de l’énergie. Cette étude porte sur un nouveau type de matériau solaire composé d’éléments abondants — antimoine, soufre et sélénium — et montre comment un réglage précis d’un procédé de croissance aqueux à basse température peut extraire davantage d’énergie de cellules ultraminces. En comprenant et en pilotant la chimie à l’intérieur d’un réacteur à eau fermé et chauffé, les chercheurs poussent ces dispositifs respectueux de l’environnement à une efficacité certifiée de 10,7 %, tout en dévoilant des règles de conception susceptibles d’aider les futures technologies solaires en tandem et intégrées au bâtiment.

Une couche solaire mince et prometteuse, respectueuse de la planète

Le matériau solaire au cœur de ce travail, appelé séléno‑sulfure d’antimoine, est intéressant parce qu’il absorbe la lumière du soleil de façon extrêmement efficace : une couche de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur — bien plus fine qu’un cheveu humain — peut capter la majeure partie de la lumière incidente. Son « gap » énergétique modulable peut être ajusté en changeant le rapport soufre/sélénium, ce qui en fait un bon candidat pour être empilé au‑dessus du silicium dans des cellules en tandem qui dépassent les limites d’efficacité des dispositifs monocouches actuels. Tout aussi important, il peut être fabriqué à relativement basse température à partir de solutions, en utilisant des éléments courants plutôt que des métaux rares ou toxiques. Cette combinaison d’absorption élevée, de possibilité d’ajustement et de facilité de production a fait de ce matériau un favori pour les films solaires minces de prochaine génération.

Quand une chimie rapide crée des obstacles cachés

Pour faire croître ces films absorbant la lumière, de nombreux groupes utilisent une méthode hydrothermale : un verre recouvert d’une fine couche « amorce » est placé dans une cuve doublée de Téflon remplie d’eau et de sels dissous, puis chauffé pour que des cristaux se forment à la surface. Dans des conditions standard, la source d’antimoine et un sel contenant du soufre réagissent facilement, tandis que le sélénium provenant d’une molécule organique ajoutée est libéré brusquement. L’équipe montre que cette poussée de sélénium enrichit la base du film en sélénium et la surface en soufre, créant un gradient de composition vertical. Des images en microscopie révèlent des vides et une structure inégale près de la base, et des cartographies d’émission lumineuse confirment que le paysage énergétique à l’intérieur du film s’incline défavorablement, obligeant les porteurs de charge à gravir une « colline » d’énergie pour atteindre le contact externe.

Utiliser un sel simple pour maîtriser le processus de croissance

L’innovation clé est l’ajout d’une petite quantité de sulfure de sodium à la solution précurseur. Ce sulfure supplémentaire augmente et stabilise doucement l’acidité du liquide et modifie la façon dont les espèces contenant du soufre et du sélénium se forment et réagissent au fil du temps. Plutôt que d’avoir une libération soudaine de sélénium suivie d’une depletion, la libération devient progressive et régulière. En conséquence, le soufre et le sélénium sont incorporés de manière plus uniforme pendant la croissance du film, produisant une composition presque homogène de l’interface inférieure à la surface supérieure. La microscopie électronique et la cartographie élémentaire montrent que les vides structurels disparaissent en grande partie et que le rapport soufre/sélénium s’aplatit en profondeur. Parallèlement, le sulfure additionnel aide à convertir les sous‑produits riches en oxygène indésirables en chalcogénure souhaité, nettoyant le film au fur et à mesure de sa formation.

Des chemins plus propres pour les charges et moins de pièges énergétiques

Ces améliorations structurelles et compositionnelles modifient directement la manière dont le matériau gère les charges créées par la lumière. Des mesures détaillées d’émission lumineuse à travers une coupe transversale du film montrent que, sans l’additif, les niveaux d’énergie se courbent d’une façon qui bloque l’écoulement des porteurs chargés positivement (trous) vers le contact externe. Avec le sulfure de sodium, les bandes d’énergie deviennent plates, supprimant cette barrière pour permettre aux trous de se déplacer plus librement. Des expériences de spectroscopie des défauts séparées révèlent que la densité d’états profonds dits « pièges » — liés à des atomes de soufre manquants et à des atomes d’antimoine mal placés — est réduite d’environ deux ordres de grandeur. Moins de pièges signifient moins d’événements de recombinaison non radiative où les charges disparaissent en chaleur, et une concentration effective de porteurs plus élevée qui réduit la résistance interne. Ensemble, ces changements augmentent à la fois le courant et le facteur de remplissage des dispositifs, même si une couche absorbante légèrement plus fine entraîne une petite baisse de tension.

De réglages chimiques subtils à de meilleures cellules solaires

En disséquant attentivement les voies de réaction dans la croissance hydrothermale du séléno‑sulfure d’antimoine, puis en les ralentissant et en les lissant délibérément avec du sulfure de sodium, les chercheurs montrent que de modestes ajustements chimiques peuvent produire des effets disproportionnés sur les performances solaires. Les films améliorés offrent une efficacité de conversion de puissance de 11,02 %, avec une valeur certifiée indépendante de 10,7 %, établissant un nouveau repère pour cette classe de dispositifs. Plus largement, le travail démontre comment le contrôle de la chimie de solution — plutôt que la simple superposition de couches — peut éliminer des gradients et des défauts cachés qui limitent l’efficacité. Ces connaissances fournissent une feuille de route pour affiner les matériaux solaires traités en solution à basse température, nous rapprochant de technologies solaires minces et en tandem abordables et performantes.

Citation: Qian, C., Sun, K., Huang, J. et al. Regulation of hydrothermal reaction kinetics with sodium sulfide for certified 10.7% efficiency Sb₂(S,Se)₃ solar cells. Nat Energy 11, 415–424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01952-0

Mots-clés: cellules solaires à séléno-sulfure d’antimoine, films minces hydrothermaux, additif sulfure de sodium, réduction des défauts en photovoltaïque, technologie solaire en tandem