Amélioration des performances et de la stabilité des cellules solaires pérovskites à base d’iodure de plomb et de méthylammonium grâce à des précurseurs monocristallins

Transformer la lumière en énergie, à l’intérieur comme à l’extérieur

Les panneaux solaires sont déjà courants sur les toits, mais une nouvelle famille de matériaux appelés pérovskites promet une efficacité encore plus élevée et une production moins coûteuse. L’une des pérovskites les plus anciennes et les plus simples, connue sous le nom de MAPbI3, a la réputation de se dégrader trop rapidement, surtout sous l’effet de la lumière et de la chaleur. Cette étude remet en question cette idée et montre qu’un changement astucieux dans la méthode de fabrication peut considérablement améliorer à la fois la puissance délivrée et la stabilité à long terme, ouvrant la voie à une production solaire fiable non seulement en extérieur, mais aussi sous un éclairage intérieur pour de petits appareils électroniques.

Pourquoi ces matériaux solaires sont importants

Les cellules solaires pérovskites sont attractives parce qu’elles absorbent la lumière solaire de manière très efficace et peuvent être traitées à partir de solutions liquides à des températures relativement basses. Le MAPbI3, en particulier, est facile à fabriquer et présente des propriétés bien équilibrées, mais de nombreux travaux antérieurs l’ont considéré comme trop fragile pour un usage réel. Cette conclusion reposait en grande partie sur des films obtenus selon une recette classique qui mélange deux sels de départ dans un solvant et les laisse réagir sur une surface. Dans ces films conventionnels, de petites traces d’un sel, l’iodure de plomb, subsistent presque toujours. Ces résidus ont longtemps été traités comme un défaut mineur ou même un atout, ce qui a peut‑être masqué le véritable potentiel du MAPbI3.

Une nouvelle manière de former la couche absorbante de lumière

Les chercheurs ont attaqué le problème à la source : l’« encre » liquide à partir de laquelle la couche pérovskite est déposée. Au lieu de mélanger des ingrédients séparés qui peuvent ne jamais réagir complètement, ils ont d’abord cultivé de grands monocristaux purs de MAPbI3, puis dissous ces cristaux pour préparer la solution de dépôt. Parce que les cristaux présentent déjà le bon équilibre de composants, les films obtenus sont essentiellement exempts d’iodure de plomb résiduel et d’autres sous-produits indésirables. Lorsque ces films issus de monocristaux ont été intégrés dans des structures de cellules solaires standard, les dispositifs ont atteint un rendement de conversion énergétique de 21,55 %, contre 18,61 % pour des cellules fabriquées à partir de solutions conventionnelles — un gain substantiel obtenu principalement grâce à une tension plus élevée et une courbe courant–tension plus favorable.

Des films plus propres, moins de défauts cachés

Des mesures détaillées ont révélé pourquoi la voie des monocristaux fonctionne si bien. La microscopie a montré que les films conventionnels contiennent de nombreuses petites taches brillantes concentrées aux limites de grains ; ces taches correspondent au signal caractéristique de résidus d’iodure de plomb. En revanche, les nouveaux films forment des couches denses et lisses avec des grains uniformes et sans amas d’impuretés visibles. Des tests électriques visant à quantifier les défauts internes ont montré que les films améliorés présentent une densité bien plus faible de pièges électroniques où les charges peuvent se recombiner et se perdre. D’autres mesures ont mis en évidence des champs électriques internes plus forts et des courants de fuite indésirables réduits. Ensemble, ces caractéristiques favorisent une séparation et un transport plus efficaces des charges créées lorsque la lumière frappe la cellule solaire.

Stabilité et rôle caché des sels résiduels

La plus grande surprise est venue de la façon dont les deux types de films ont vieilli au fil du temps. Les cellules non protégées fabriquées à partir de solutions conventionnelles ont rapidement perdu en performance, tombant à moins de la moitié de leur efficacité initiale. Celles construites à partir de films dérivés de monocristaux ont conservé 98 % de leur rendement initial même après environ six semaines en air ambiant. En suivant les changements de structure cristalline et de chimie de surface, l’équipe a attribué cette différence à des cycles de réactions chimiques déclenchés par l’humidité et la lumière. L’iodure de plomb résiduel peut réagir avec l’eau pour former de nouveaux composés et un acide réactif, qui attaque ensuite la pérovskite elle‑même. Sous illumination, ce même résidu peut se décomposer davantage en plomb métallique et en espèces iodées qui jouent un rôle catalytique, accélérant la dégradation du matériau et creusant des vides dans le film. Lorsque le film de départ contient presque aucun de ces résidus, ces cycles destructeurs sont largement supprimés.

Des dispositifs de laboratoire aux mini‑modules pratiques

Pour montrer que la méthode s’étend au‑delà de petites cellules de test, les chercheurs ont fabriqué des mini‑modules de 5 × 5 centimètres, plus proches des produits réels. En utilisant l’approche monocristalline, ces dispositifs de plus grande taille ont atteint près de 20 % d’efficacité en plein soleil et près de 40 % sous un éclairage LED intérieur typique, dépassant les modules produits par la voie conventionnelle. Parce que les nouveaux films sont à la fois chimiquement et structurellement plus uniformes, ils se prêtent bien aux méthodes de production en grand format tout en maintenant des performances élevées.

Ce que cela signifie pour la technologie quotidienne

En partant de cristaux pérovskites préformés et ultra‑purs plutôt que d’ingrédients bruts, ce travail montre que le MAPbI3 n’est pas aussi intrinsèquement instable qu’on l’a longtemps craint. Une grande partie de sa mauvaise réputation provient de l’iodure de plomb résiduel créé lors du traitement standard, qui initie silencieusement un réseau de réactions entraînées par l’humidité et la lumière qui érodent la couche solaire au fil du temps. Éliminez ce résidu, et ce même composé simple peut fournir une efficacité élevée et durable aussi bien dans de petites cellules que dans des modules plus grands. Cela fait du MAPbI3 un candidat solide pour alimenter des capteurs intérieurs, des appareils sans fil et d’autres électroniques qui ont besoin d’une récolte d’énergie fiable en faible luminosité sans recettes de matériaux compliquées.

Citation: Kunnathumpeedika, S., Kattoor, V. & Wei, TC. Enhancing performance and stability of methylammonium lead iodide-based perovskite solar cells using single-crystal precursors. Commun Mater 7, 117 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01123-y

Mots-clés: cellules solaires pérovskites, photovoltaïque d’intérieur, stabilité des matériaux, précurseurs monocristallins, impuretés d’iodure de plomb