Une étude menée à BESSY II en Allemagne révèle qu'une couche de germination au chlorure de césium peut améliorer la qualité des cellules solaires tandem pérovskite-silicium

L'équipe du Centre Helmholtz de Berlin (HZB) en Allemagne a utilisé l'installation de rayonnement synchrotron BESSY II pour réaliser une analyse à l'échelle nanométrique de cellules solaires tandem pérovskite-silicium préparées par évaporation, et a proposé une nouvelle méthode pour améliorer la qualité des couches minces de pérovskite. L'étude montre que l'introduction d'une fine couche de germination en chlorure de césium (CsCl) entre les deux sous-cellules favorise une croissance uniforme de la couche de pérovskite tout en réduisant le dépôt indésirable d'iodure de plomb à l'interface.

Cette recherche démontre que la couche de germination en chlorure de césium améliore la croissance de la couche de pérovskite évaporée et réduit la formation d'iodure de plomb. Les images de microscopie électronique à balayage montrent que la couche de pérovskite cultivée sans couche de germination (image de gauche) est constituée de grains extrêmement fins et présente de nombreux défauts, tandis que la couche de pérovskite cultivée sur la couche de germination en chlorure de césium (image de droite) présente des grains plus grands et nettement moins de défauts. HZB

L'efficacité de conversion des cellules solaires tandem pérovskite-silicium est généralement supérieure à celle des cellules solaires en silicium simple. Parmi les méthodes de fabrication, la co-évaporation des molécules précurseurs de pérovskite sur la sous-cellule en silicium constitue une voie de production attrayante sur le plan industriel. L'équipe de recherche souligne que ce type de cellule tandem monolithique nécessite généralement la formation d'une couche auto-assemblée de molécules (SAM) sur la surface du silicium comme couche de transport de trous, mais que la couche SAM et la couche de pérovskite doivent toutes deux recouvrir la surface du silicium de manière aussi uniforme que possible. Étant donné que la SAM n'est pas une monocouche parfaite et que la surface du silicium présente souvent des nanostructures texturées destinées à améliorer la capture de la lumière, l'obtention d'un film uniforme n'est pas aisée.

Sur BESSY II, les chercheurs ont utilisé la technique de microscopie à sonde à balayage en champ proche infrarouge (IR-s-SNOM) pour identifier des régions d'épaisseurs différentes au sein de la couche SAM, notamment des monocouches, des multicouches et des zones d'agrégation de molécules SAM. Des analyses plus approfondies ont montré que sur les substrats de silicium plans et sur les substrats de silicium texturés d'intérêt industriel, les molécules SAM s'agrègent au fond des vallées de la texture, entraînant une épaisseur de film non uniforme.

Ensuite, l'équipe a utilisé la technique de microscopie photoélectronique par rayons X (XPEEM) de BESSY II pour observer la croissance de la pérovskite co-évaporée sur différentes zones de couverture SAM. Les résultats montrent que la couche de pérovskite ne peut pas compenser les irrégularités de la couche SAM sous-jacente et qu'elle forme de l'iodure de plomb indésirable à l'interface avec le silicium.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont introduit une couche de chlorure de césium à l'interface, qui joue le rôle de couche de germination. Le Dr Viktor Škorjanc, premier auteur de l'étude, indique que cette couche de germination permet à la couche mince de pérovskite de croître plus uniformément sur la surface du silicium texturé et évite la formation de défauts d'interface dus à une couverture inégale de la couche de transport de trous. Les observations en microscopie électronique à balayage montrent également que, sans couche de germination, la couche mince de pérovskite présente des grains plus petits et davantage de défauts ; avec l'ajout de la couche de germination en chlorure de césium, les défauts du film sont nettement réduits et la taille des grains augmente.

Les résultats de l'étude montrent qu'avec cette méthode, l'efficacité des cellules solaires tandem pérovskite-silicium atteint 30,3 %. Le Dr Marcel Roß, responsable de l'équipe des cellules solaires à pérovskite évaporée au HZB, indique que ce procédé sous vide sans solvant pourrait également améliorer la stabilité des cellules tandem, ce qui revêt une importance considérable pour faire passer les résultats de laboratoire à haute efficacité vers une technologie tandem solaire fiable et industrialisable.