Pérovskites halogénées : stabilité, interfaces et dynamiques internes

Les pérovskites halogénées traitées en solution se sont imposées comme des matériaux clés pour les dispositifs photovoltaïques de nouvelle génération, grâce à leur forte absorption optique, leur grande tolérance aux défauts et leur compatibilité avec des procédés à basse température. Toutefois, ces mêmes caractéristiques s’accompagnent de phénomènes non idéaux (p. ex. instabilité sous fonctionnement, dynamiques ioniques lentes, et hétérogénéités interfaciales) qui conditionnent fortement les performances et la durabilité des dispositifs.

Mes travaux dans ce domaine se sont structurés autour d’un objectif central : comprendre et contrôler les mécanismes internes qui gouvernent la performance et la stabilité des cellules solaires à pérovskites, en mettant un accent particulier sur le rôle des interfaces, des défauts et des dynamiques non stationnaires.

Cette rubrique propose une sélection de résultats représentatifs de mes recherches sur cet axe, la liste complète des publications pouvant être consultée dans la section dédiée.

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

Nos travaux les plus récents ont évolué vers le développement de méthodologies expérimentales permettant de sonder directement les dynamiques internes des dispositifs en fonctionnement, au-delà des seules métriques électriques globales.

Dans ce cadre, nous avons introduit une approche originale fondée sur l’intégration de nanoparticules de conversion ascendante (UCNPs) à des interfaces enfouies de cellules solaires à pérovskites, permettant une thermométrie locale in situ au cours des processus de dégradation. Cette stratégie a rendu possible le suivi en temps réel de l’évolution de la température locale à l’interface pérovskite/HTL lors d’expériences de vieillissement accéléré sous excitation optique.

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

Les résultats ont révélé des signatures thermiques non triviales, corrélées à la mise en compétition de plusieurs mécanismes sous-jacents, notamment l’accumulation de chaleur locale et les transformations structurales et optiques du matériau absorbant associées à sa dégradation. Ces observations ont mis en évidence l’existence de régimes distincts de dégradation, dépendant à la fois de l’intensité du « stressor » appliqué et de la composition de la pérovskite. 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.

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.

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.