Vers l’impression à grande échelle de cellules solaires en pérovskites

La recherche autour des cellules solaires en pérovskites a fait d’impressionnants progrès ces dernières années. Cependant, les avancées les plus remarquables sont réalisées sur des appareils de moins d’un centimètre carré, utilisant des procédés inadaptés à la production d’appareils commerciaux à grande échelle.

Ainsi, passer de l’expérience en laboratoire à la production à grande échelle est un enjeu majeur pour la recherche. Pour arriver à cette fin, de nombreux procédés sont proposés, comme le revêtement par fente et l’impression à jet d’encre, tous deux très répandus. Ces procédés impliquent la création d’une « substance encre » — contenant des solvants et des matériaux précurseurs — qui, déposée sur un substrat et laissée à l’évaporation, forme la structure cristalline de la pérovskite.

Afin de produire des cellules solaires en pérovskite à grande échelle, il est essentiel de comprendre comment la composition de l’encre affecte le processus d’évaporation et les caractéristiques du film cristallin. Mais si les recherches antérieures ont permis de faire de grands progrès afin de développer les meilleurs matériaux précurseurs pour la pérovskite, les recherches concernant les mélanges de solvants et la formation des encres — pour la production à grande échelle — en sont à un stade beaucoup plus précoce.

Voilà donc tout l’objet des recherches menées par les scientifiques du HZB. Ainsi, un groupe de chercheurs a examiné le processus de cristallisation, visant à définir les caractéristiques les plus importantes des encres, qui détermineront la performance de la pérovskite après évaporation et cristallisation. « Le rôle complexe des solvants et des co-solvants dans les encres hybrides de la pérovskite — sur la structure de la phase intermédiaire et la cinétique de formation du film — n’est pas encore bien appréhendé », déclarent les chercheurs. « La compréhension de l’interaction entre la force de coordination d’un solvant et les taux d’évaporation des solutions précurseurs permet de prédire les phases intermédiaires prédominantes des substances de pérovskites, ainsi que la cinétique de leur formation à partir de solvants mixtes. »

Leurs travaux sont décrits en détail dans l’article intitulé Hybrid perovskite crystallization from binary solvent mixtures : interplay of evaporation rate and binding strength of solvents, publié dans Materials Advances. Pour le solvant, les propriétés rhéologiques, la vitesse d’évaporation, et la formation de phases intermédiaires sont identifiées comme les facteurs les plus importants à contrôler.

« Dans les mélanges de solvants, l’évaporation est dominée par le composant le plus volatil. Cela modifie le rapport des solvants présents lors de la cristallisation », explique Oleksandra Shargaieva, l’auteur principal de l’article.

Grâce aux connaissances acquises avec cette recherche, Oleksandra Shargaieva affirme que le groupe devrait être en mesure de prédire la formation d’un film mince cristallin, en fonction de la combinaison des matériaux dans l’encre. Cela devrait permettre de concevoir des encres adaptées à une série de procédés de fabrication testés pour la production de cellules en pérovskites. « Il y a encore un manque de connaissances pour passer de l’échelle du laboratoire à celle de l’industrie », indique Eva Unger, responsable d’un groupe de jeunes chercheurs à la HZB. « Avec ces résultats, nous ouvrons la voie à une conception plus poussée d’une substance encre pour permettre la fabrication à l’échelle industrielle ou la production de films minces de pérovskite de haute qualité. »