Développement de films minces d’oxyde conducteur transparent Zn1−xSnxO et Mg1−xSnxO pour des applications aux cellules solaires pérovskites

Pourquoi les électrodes transparentes sont importantes pour l’énergie solaire

Les panneaux solaires modernes font plus que convertir la lumière du soleil en électricité ; ils intègrent aussi des matériaux ingénieux qui laissent passer la lumière tout en conduisant le courant électrique. Cette étude explore deux revêtements transparents et conducteurs composés d’éléments abondants, avec pour objectif de remplacer la norme industrielle actuelle coûteuse et d’aider au développement de cellules pérovskites plus sûres et sans plomb.

Nouveaux revêtements transparents à base de métaux courants

Les chercheurs se sont concentrés sur les oxydes conducteurs transparents, la couche vitreuse avant qui à la fois laisse entrer la lumière et collecte les charges dans de nombreux dispositifs, des écrans de téléphone aux cellules solaires. Plutôt que d’utiliser les matériaux habituellement à base d’indium, coûteux et rares, ils ont créé deux alternatives en combinant l’oxyde d’étain avec du zinc ou du magnésium. Ces nouveaux revêtements, appelés ZTO et MTO, ont été fabriqués par une technique de pulvérisation simple qui peut recouvrir de grandes plaques de verre sans avoir besoin d’équipements à vide complexes.

Pulvériser, chauffer et ajuster les films

Pour produire les revêtements, l’équipe a dissous des sels métalliques dans de l’alcool et pulvérisé la brume sur du verre chauffé, puis a cuit les films à haute température. En faisant varier soigneusement le rapport de mélange zinc/étain ou magnésium/étain, puis en recourant à l’ennoblissement thermique (recuit), ils ont pu contrôler l’épaisseur, la structure cristalline et les défauts internes. Les mesures par rayons X ont montré que le chauffage améliorait l’ordre atomique et réduisait les imperfections, tandis que la microscopie électronique révélait des grains plus réguliers et un recouvrement plus homogène après traitement thermique, facteurs favorisant la mobilité des charges.

Équilibrer transparence et conductivité

Une bonne couche frontale pour une cellule solaire doit être à la fois très transparente et très conductrice, deux qualités souvent opposées. Les tests optiques ont montré que les films ZTO et MTO laissent passer environ 76–80 % de la lumière visible, même après avoir été épaissis pour mieux conduire le courant. Parallèlement, les mesures électriques ont confirmé que les films transportent efficacement des charges négatives, les meilleurs films à base de magnésium affichant de très fortes concentrations de porteurs et une faible résistivité. L’étape de chauffage a légèrement réduit la largeur de bande optique des films et éliminé des groupes chimiques indésirables, des changements associés à un meilleur transport de charge sans compromettre excessivement la transparence.

Intégration des nouvelles couches dans des cellules solaires réelles

Pour évaluer la performance en conditions réelles, l’équipe a fabriqué de simples cellules solaires pérovskites en utilisant un absorbeur sans plomb à base de chlorure d’étain et de césium et un contact arrière peu coûteux en graphite. Ce dispositif n’a pas été conçu pour battre des records d’efficacité, mais pour mettre en évidence l’influence des revêtements frontaux sur les performances. Lorsque les nouvelles couches ZTO et MTO ont remplacé les électrodes transparentes conventionnelles, les dispositifs ont produit une puissance mesurable sous un éclairage standard. Les cellules avec ZTO ont atteint des rendements de conversion d’environ 3,5 %, tandis que celles avec MTO ont atteint environ 6,4 %, grâce à un courant plus élevé et une tension légèrement supérieure.

Ce que cela signifie pour la technologie solaire future

L’étude montre que des revêtements transparents et conducteurs à base d’étain et de magnésium peuvent rivaliser avec la clarté optique des matériaux standards actuels tout en offrant de bonnes performances électriques et en exploitant des éléments plus abondants. Parmi les deux options testées, les films à base de magnésium ont donné de meilleurs résultats dans des cellules pérovskites en fonctionnement, principalement parce qu’ils conduisent l’électricité plus efficacement tout en laissant passer suffisamment de lumière. Bien que ces dispositifs ne soient pas encore prêts pour les toits ou les centrales électriques, les résultats indiquent une voie prometteuse vers des modules solaires moins chers, sans indium et potentiellement plus sûrs, compatibles avec des procédés de pulvérisation évolutifs.

Citation: Kiruthiga, G., Kumar, M.S., Raguram, T. et al. Development of Zn_1−xSn_xO and Mg_1−xSn_xO transparent conducting oxide thin films for perovskite solar cell applications. Sci Rep 16, 15968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42690-x

Mots-clés: oxyde conducteur transparent, cellules solaires pérovskites, pyrolyse par pulvérisation, films minces d’oxyde d’étain, électrodes sans indium