Pérovskites halogénées : stabilité, interfaces et dynamiques internes

Cette rubrique présente quelques résultats emblématiques de nos recherches sur les pérovskites halogénées.

Les pérovskites halogénées traitées en solution sont aujourd’hui des matériaux clés pour le photovoltaïque de nouvelle génération, grâce à leur forte absorption optique, leur tolérance aux défauts et leur compatibilité avec des procédés basse température. Cependant, leurs performances et leur durabilité restent fortement conditionnées par des phénomènes internes complexes, tels que les dynamiques ioniques, les effets thermiques locaux et le rôle critique des interfaces.

Nos recherches visent à comprendre et maîtriser ces mécanismes internes, en combinant ingénierie interfaciale et méthodes de diagnostic avancées, afin d’améliorer à la fois la performance et la stabilité opérationnelle des dispositifs à pérovskites.

I. Accès in situ aux dynamiques internes et aux mécanismes de dégradation

Nos travaux les plus récents ont introduit des approches in situ originales pour sonder directement le fonctionnement interne des cellules solaires à pérovskites sous illumination. En intégrant des nanoparticules de conversion ascendante (UCNPs) à des interfaces enfouies, nous avons développé une thermométrie locale nanoscale permettant de suivre en temps réel l’évolution de la température à l’interface pérovskite/couche de transport de trous lors de tests de vieillissement accéléré.

Cette approche a révélé l’existence de régimes de dégradation distincts, résultant de la compétition entre accumulation thermique locale et transformations structurales et optiques du matériau absorbant. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur les mécanismes physiques gouvernant la dégradation des dispositifs et ouvrent la voie à une compréhension plus mécanistique de leur stabilité. Cette méthodologie a également fait l’objet d’actions de vulgarisation scientifique, témoignant de son intérêt au-delà du champ académique.

Figure caption : (À gauche) : schéma de l’architecture du dispositif et de la stratégie d’intégration de nanoparticules de conversion ascendante (UCNPs) comme nanothermomètres à l’interface enfouie pérovskite/HTL ; (À droite) : évolution de la température interfaciale au cours de la dégradation accélérée sous illumination. Les mesures révèlent des mécanismes concurrents, incluant l’accumulation thermique et la décomposition du matériau, dont la dominance relative dépend à la fois de l’intensité du « stressor » appliqué et de la composition de la pérovskite

Publication :

Nie, J. ; Zhang, D. ; Xiang, H. ; Pons, T. ; Aigouy, L. ; Chen, Z. Nanothermometry-Guided in Situ Decoding of Perovskite Solar Cell Degradation under Optical Stress. Nano Energy 2025, 144, 111405. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111405.

Vulgarisation scientifique :

https://www.pepr-tase.fr/2025/12/05/temperature-perovskites/

II. Interfaces fonctionnelles pour une stabilité opérationnelle accrue

En parallèle, nous avons étudié le rôle des interfaces comme points clés d’initiation des processus d’instabilité. Nous avons notamment montré que l’intégration contrôlée de nanoparticules colloïdales de carbone (carbon quantum dots) à des interfaces stratégiques permettait de combiner un filtrage efficace des photons UV avec une modification favorable des interfaces électroniques. Cette approche multifonctionnelle conduit à une amélioration significative de la stabilité sous illumination, sans compromis sur les performances photovoltaïques.

Ces résultats illustrent l’intérêt d’une ingénierie interfaciale agissant simultanément sur plusieurs leviers optiques et électroniques, plutôt que sur un mécanisme isolé.

Figure caption : (À gauche) : schéma de l’architecture de cellule solaire à pérovskite étudiée, intégrant des nanoparticules de carbone fluorescents (CQDs) déposés sélectivement sur différentes surfaces et interfaces du dispositif ; (À droite) : évolution comparative du rendement de conversion (PCE) de cellules solaires à pérovskite non encapsulées, avec et sans CQDs, selon les configurations d’intégration, sous illumination UV continue en air (RH ∼ 40%).

Publication :

Zhang, D. ; Hu, Z. ; Vlaic, S. ; Xin, C. ; Pons, S. ; Billot, L. ; Aigouy, L. ; Chen, Z. Synergetic Exterior and Interfacial Approaches by Colloidal Carbon Quantum Dots for More Stable Perovskite Solar Cells Against UV. Small 2024, 20 (35), 2401505. https://doi.org/10.1002/smll.202401505.

III. Ingénierie des couches actives et des interfaces pour des cellules solaires performantes et robustes

Nos travaux antérieurs ont porté sur l’ingénierie des interfaces dans les cellules solaires à pérovskites, avec pour objectif d’identifier et de maîtriser les mécanismes limitant les performances et la stabilité des dispositifs. Nous avons notamment montré que des phases résiduelles telles que PbI₂ à l’interface pérovskite/couche de transport de trous, souvent considérées comme peu critiques, pouvaient au contraire jouer un rôle déterminant. Leur élimination contrôlée conduit à une amélioration conjointe de l’efficacité photovoltaïque et de la stabilité sous illumination prolongée, soulignant l’importance d’un contrôle précis de la qualité interfaciale.

Dans cette même logique d’ingénierie interfaciale, nous avons étudié l’impact de couches de transport d’électrons nanostructurées, en particulier des réseaux de nanocolonnes de TiO₂. Cette approche permet de modifier la gestion optique du dispositif, avec une concentration locale accrue du champ électromagnétique et une absorption renforcée dans l’ultraviolet, tout en améliorant les propriétés de transport des charges. L’intégration de ces nanocolonnes se traduit par une augmentation du courant de court-circuit et de l’efficacité de conversion, ainsi que par une amélioration marquée de la stabilité en stockage (shelf life) des cellules solaires, démontrant l’intérêt des interfaces nanostructurées pour la robustesse des dispositifs à pérovskites.

Figure caption : (a) Évolution du rendement sur 100 h de cellules solaires à pérovskite triple cation CsMAFAPb(I_1-xBr_x)₃ non encapsulées, dont la couche active a été traitée par MAI (bleu), FAI (orange), MABr (violet) ou MACl (rose), en comparaison avec une cellule de référence sans traitement (vert). Les mesures sont réalisées sous illumination continue AM 1.5G (100 mW cm^-2) en atmosphère inerte (boîte à gants Ar). L’encart montre des images SEM de la couche active avant et après traitement MAI, illustrant l’élimination du PbI2 interfacial en excès. (b) À gauche : image SEM de nanocolonnes de TiO₂ alignées verticalement. À droite : comportement en dégradation de cellules solaires à pérovskite triple cation utilisant une couche de transport d’électrons plane ou nanostructurée (nanocolonnes de TiO₂). L’encart présente une image optique de deux dispositifs fabriqués sur le même substrat après vieillissement à l’air, sans (gauche) et avec (droite) nanocolonnes de TiO₂.

Publications :

Hu, Z. ; An, Q. ; Xiang, H. ; Aigouy, L. ; Sun, B. ; Vaynzof, Y. ; Chen, Z. Enhancing the Efficiency and Stability of Triple-Cation Perovskite Solar Cells by Eliminating Excess PbI₂ from the Perovskite/Hole Transport Layer Interface. ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12 (49), 54824–54832. https://doi.org/10.1021/acsami.0c17258.

Hu, Z. ; García-Martín, J. M. ; Li, Y. ; Billot, L. ; Sun, B. ; Fresno, F. ; García-Martín, A. ; González, M. U. ; Aigouy, L. ; Chen, Z. TiO₂ Nanocolumn Arrays for More Efficient and Stable Perovskite Solar Cells. ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12, 5979–5989. https://doi.org/10.1021/acsami.9b21628.