Les grandes installations scientifiques catalysent les percées dans les matériaux pour les énergies nouvelles : l'IHEP s'appuie sur l'Installation de rayonnement synchrotron de Pékin pour révéler le mécanisme de cristallisation hautement efficace des pérovskites, avec un rendement de conversion photovoltaïque des sous-modules atteignant 22,9 %

Récemment, l'équipe de recherche du Centre de recherche multidisciplinaire de l'Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de l'Académie chinoise des sciences a réalisé des progrès importants dans l'étude des mécanismes microscopiques des matériaux pour cellules solaires à pérovskite. L'équipe de recherche a introduit de manière innovante un cadre nanométrique de bleu de Prusse (Prussian Blue, PB) hautement compatible avec le réseau cristallin de la pérovskite, et s'est appuyée sur une grande infrastructure nationale de science et de technologie——l'Installation de rayonnement synchrotron de Pékin (BSRF) pour mener une caractérisation in situ multidimensionnelle par rayonnement synchrotron. En combinant l'évolution de la cinétique de cristallisation transitoire et la structure de coordination locale microscopique, elle a élucidé pour la première fois de manière systématique les mécanismes physico-chimiques par lesquels le bleu de Prusse régule la nucléation et la cristallisation de la pérovskite et inhibe la migration ionique.

Les modules photovoltaïques à pérovskite de grande surface, lors du processus de fabrication de films minces par voie humide, s'accompagnent souvent d'une nucléation aléatoire et d'une évolution extrêmement complexe des phases intermédiaires solvatées, ce qui laisse facilement au sein du film des contraintes de traction résiduelles, un désordre microscopique du réseau cristallin et des défauts ponctuels, entraînant ensuite, sous l'effet d'un éclairage prolongé, de la chaleur et d'un champ électrique appliqué, une migration ionique et une dégradation rapide des performances. Pour franchir ce goulot d'étranglement de l'efficacité à grande surface qui limite l'industrialisation des modules photovoltaïques, les chercheurs se sont appuyés sur la diffusion des rayons X aux grands angles en incidence rasante in situ (GIWAXS) de la ligne expérimentale 1W1A du BSRF ainsi que sur la technique de spectroscopie d'absorption des rayons X par structure fine (XAFS) de la ligne expérimentale 1W1B, pour mener un suivi dynamique à haute résolution spatio-temporelle :

Induction précise de la voie de cristallisation dynamique : l'analyse GIWAXS in situ montre que le bleu de Prusse, en tant que template de nucléation hétérogène, guide efficacement le système d'un mode de nucléation homogène aléatoire et désordonné vers un mode de nucléation hétérogène contrôlé, inhibant significativement la formation d'intermédiaires solvatés peu actifs et de la phase jaune non photoactive ($\delta$-FAPbI$_3$), ouvrant ainsi une voie cinétique de conversion rapide vers la phase noire photoactive ($\alpha$-FAPbI$_3$) ; ce mécanisme de régulation favorise une croissance cristalline strictement orientée selon le plan cristallin (100), éliminant largement les contraintes de traction du réseau au sein du film ;

Robustesse du squelette à l'échelle atomique et confinement ionique : les spectres d'absorption XAFS au seuil K du Fe, les ajustements de la région étendue et les analyses par transformée en ondelettes obtenus à la ligne expérimentale 1W1B confirment que, même dans un microenvironnement extrême où des cations tels que Cs$^+$ migrent et s'insèrent dans les canaux internes du bleu de Prusse et où Fe$^{3+}$ subit une oxydoréduction, son squelette de coordination cubique Fe–C$\equiv$N–Fe conserve une rigidité structurale extrêmement forte, sans distorsion notable des distances de coordination radiales, offrant une solide barrière microstructurale pour la fixation continue des cations mobiles et l'inhibition du glissement ionique aux joints de grains.

Grâce aux orientations microdynamiques fournies par les expériences de rayonnement synchrotron de l'accélérateur, l'équipe de recherche a réalisé un saut de performance au niveau du développement des dispositifs : le rendement de conversion photovoltaïque des cellules à pérovskite de petite surface en laboratoire a atteint 26,9 % ; dans le processus de fabrication à l'échelle supérieure, le rendement des petits modules de 6 cm × 6 cm a atteint 23,4 %, et les sous-modules de grande dimension de 30 cm × 30 cm ont obtenu un rendement certifié de haut niveau de 22,9 %, jetant une base scientifique solide pour le passage des cellules photovoltaïques à pérovskite à haute stabilité et grande surface du laboratoire aux lignes de production industrielles.