La passivation moléculaire en 3D cartographiée à l’échelle nanométrique dans les cellules solaires à pérovskites

Les monocouches moléculaires auto-assemblées sont couramment utilisées pour modifier les interfaces des cellules solaires à pérovskites et améliorer l’extraction des charges. Jusqu’à présent, elles étaient généralement considérées comme des modificateurs de surface bidimensionnels. 

Grâce à l’imagerie NanoSIMS tridimensionnelle à haute résolution, une équipe française a pu suivre directement des molécules fluorées déposées sur des films de pérovskite. Les résultats révèlent qu’elles ne restent pas confinées à la surface, mais pénètrent sur près de 100 nanomètres dans le film, où elles s’accumulent préférentiellement dans des régions déficientes en iode, associées aux joints de grains.

Ces recherches ont été menées dans les unités CNRS suivantes :

• Laboratoire de physique et d'étude des matériaux (LPEM, CNRS / ESPCI Paris - PSL / Sorbonne Université)

• Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS / Museum National d'Histoire Naturelle / Sorbonne Université)

• Institut de recherche de Chimie Paris (IRCP, CNRS / Chimie ParisTech - PSL)

• Génie électrique et électronique de Paris (GeePs, CNRS / CentraleSupélec / Sorbonne Université / Université Paris-Saclay)

• Interfaces, traitements, organisation et dynamique des systèmes (ITODYS, CNRS / Université Paris Cité)

Cette distribution tridimensionnelle, jusqu’ici invisible, modifie notre compréhension de la manière dont ces traitements moléculaires agissent. Les molécules fluorées ont plusieurs effets simultanés, non seulement en rendant la surface plus hydrophobe, mais aussi en réduisant la recombinaison non radiative, en améliorant la résistance à l’humidité, et en rendant passifs des défauts situés aux joints de grains ou près de la surface. Ce traitement, une fois optimisé, permet d’atteindre un rendement maximal de 22,3 %, soit un gain relatif d’environ 8 % par rapport aux cellules non traitées, associé à une amélioration du courant, de la tension et du facteur de forme. Il améliore également la stabilité de dispositifs non encapsulés, à la fois en stockage à l’air humide et en fonctionnement sous illumination continue.

Ces résultats montrent que certaines couches moléculaires peuvent agir comme des modificateurs chimiques en volume, et pas seulement comme des revêtements de surface. Ils ouvrent de nouvelles perspectives pour concevoir des traitements moléculaires ciblant à la fois les interfaces et les défauts enfouis dans les dispositifs photovoltaïques à pérovskites. Ce travail est publié dans la revue ACS Nano.