Amélioration des performances des cellules solaires pérovskites grâce à des nanoparticules plasmoniques de nitrure de titane

Pourquoi de meilleures cellules solaires comptent dans la vie quotidienne

Les panneaux solaires deviennent moins coûteux et plus répandus sur les toits, dans les champs, et même sur les sacs à dos. Mais les panneaux actuels gaspillent encore une grande partie de l’énergie solaire, en particulier la lumière rouge et proche infrarouge que nos yeux ne voient pas. Cette étude explore une méthode astucieuse pour extraire beaucoup plus d’électricité de cette lumière perdue en utilisant une nouvelle classe de matériaux solaires performants appelés pérovskites, renforcés par de minuscules particules métalliques à base de nitrure de titane.

Transformer plus de lumière solaire en énergie utile

Les cellules solaires pérovskites se sont imposées parce qu’elles captent la lumière très efficacement tout en restant relativement simples et peu coûteuses à fabriquer. Un matériau pérovskite populaire, connu sous la formule CH3NH3PbI3, absorbe déjà très bien la lumière visible. Sa faiblesse se situe dans la région proche infrarouge, au‑delà d’environ 750 nanomètres, où sa capacité à absorber la lumière chute fortement. Cela signifie qu’une grande partie de l’énergie solaire traverse la cellule sans être convertie en électricité. Les auteurs se sont demandé si des nanoparticules conçues avec soin pouvaient agir comme de minuscules antennes pour la lumière, redirigeant et concentrant cette énergie autrement perdue vers la couche de pérovskite.

De minuscules antennes fabriquées dans un métal résistant

L’équipe s’est concentrée sur des nanoparticules en nitrure de titane, un composé dur et résistant à la chaleur qui se comporte comme un métal vis‑à‑vis de la lumière. À la différence de l’or et de l’argent — les choix habituels dans les dispositifs « plasmoniques » manipulateurs de lumière — le titane est abondant dans la croûte terrestre et beaucoup moins cher. Les chercheurs ont façonné ces nanoparticules en ellipsoïdes allongés et les ont disposées en motif hexagonal dans la couche de pérovskite d’une pile de cellule solaire modélisée : un vitrage avant, une couche conductrice transparente, une fine couche de dioxyde de titane pour guider les électrons, l’absorbeur pérovskite contenant les nanoparticules, une couche organique pour collecter les trous, et un contact arrière en or pour réfléchir la lumière. Parce que le nitrure de titane interagit fortement sur une large bande de longueurs d’onde, surtout lorsqu’il est sculpté et emballé avec soin, les nanoparticules peuvent piéger et concentrer à la fois la lumière visible et proche infrarouge dans et autour de la pérovskite.

Simuler la lumière et l’électricité à l’intérieur de la cellule

Plutôt que de fabriquer des dispositifs en laboratoire, les auteurs ont utilisé des simulations informatiques avancées pour suivre ce qui arrive à la lumière et aux charges électriques au sein de la cellule solaire. Une méthode appelée différences finies dans le domaine temporel (finite‑difference time‑domain) a suivi la façon dont la lumière incidente se réfléchit, se disperse et est absorbée dans la structure stratifiée et autour des nanoparticules. À partir de ces motifs optiques, ils ont calculé combien d’électrons et de trous porteurs de charge seraient créés à chaque profondeur dans la cellule. Ils ont ensuite injecté ces données dans un autre outil, SCAPS‑1D, qui modélise comment ces charges se déplacent, se recombinent et contribuent en fin de compte au courant et à la tension aux bornes de la cellule. Cette approche combinée leur a permis de tester de nombreux choix de conception — matériau des particules, forme, taille, espacement et motif de réseau — sans fabriquer chaque option.

Capturer presque toute la lumière utile

La conception optimisée, avec des ellipsoïdes de nitrure de titane disposés en réseau hexagonal dense, a transformé le comportement de la couche de pérovskite. Les simulations ont montré plus de 90 % de lumière absorbée sur une large bande de 400 à 1200 nanomètres, s’étendant bien dans le proche infrarouge. En revanche, une cellule similaire sans nanoparticules restait fortement absorbante seulement jusqu’à environ 750 nanomètres, puis chutait à environ un quart de cette performance. Des cartographies du champ électrique à l’intérieur du dispositif ont révélé des régions intenses autour des nanoparticules — preuve qu’elles agissent comme de petites antennes qui captent et réémettent la lumière, augmentant fortement la probabilité qu’elle soit absorbée par la pérovskite environnante.

Efficacité presque théorique sur le papier

Lorsque ces gains optiques ont été traduits en sortie électrique, la cellule simulée a affiché des performances remarquables. La densité de courant en court‑circuit, qui mesure le courant sous un ensoleillement complet, est passée d’environ 26 à près de 47 milliampères par centimètre carré — une augmentation d’environ 80 %. L’efficacité de conversion d’énergie globale est passée de 18,2 % à 31,8 %, se rapprochant de la limite théorique fondamentale pour une cellule solaire à jonction unique. Si les auteurs insistent sur le fait que ces valeurs proviennent de simulations idéalisées et que des pertes réelles apparaîtront à cause d’imperfections et de limites de fabrication, les résultats montrent comment les nanoparticules de nitrure de titane pourraient pousser les cellules solaires pérovskites vers des performances record en utilisant un matériau robuste, tolérant à la chaleur et relativement peu coûteux.

Ce que cela signifie pour les panneaux solaires futurs

Pour un non‑spécialiste, le message clé est que l’ajout de nanoparticules conçues avec soin, résistantes et abordables à l’intérieur d’une cellule pérovskite pourrait permettre aux futurs panneaux de récolter non seulement la lumière visible mais aussi une grande fraction du proche infrarouge invisible. Si ces conceptions peuvent être réalisées en pratique, elles promettent des modules solaires plus légers, plus efficaces et potentiellement moins coûteux, contribuant à rendre l’électricité renouvelable plus compétitive et plus répandue dans l’effort de réduction des émissions de gaz à effet de serre.

Citation: El-Mallah, M.N., El-Aasser, M. & Gad, N. Performance enhancement of perovskite solar cells through plasmonic titanium nitride nanoparticles. Sci Rep 16, 7182 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37468-0

Mots-clés: cellules solaires pérovskites, nanoparticules de nitrure de titane, photovoltaïque plasmonique, amélioration de l’absorption de la lumière, efficacité de l’énergie solaire