Optimisation des cellules solaires pérovskite MAPbI₃ avec électrodes ITO pulvérisées sous angle oblique

Résumé

Nous avons étudié comment l'angle et le temps de pulvérisation de l'oxyde d'indium-étain (ITO) influencent la morphologie et la performance des films pérovskites de triiodure de méthylammonium (MAPbI₃). L'augmentation de l'angle de pulvérisation oblique de 0° à 80° agrandit la taille des grains pérovskites, conséquence de la mouillabilité de surface modifiée de l'intercouche PEDOT:PSS. Le dispositif le plus efficace (11,3 % de rendement de conversion) a été obtenu avec un film ITO oblique à 30° déposé pendant 15 min, soulignant l'équilibre entre conductivité et propriétés de diffusion de la lumière.

Contexte

L'oxyde d'indium-étain (ITO) reste l'oxyde conducteur transparent (TCO) le plus utilisé dans les dispositifs optoélectroniques, offrant ~96 % de transmittance visible et ~10 Ω/sq de résistance de surface. L'adaptation des caractéristiques optiques et électriques de l'ITO — par recuit, contrôle du rapport de gaz ou dépôt sous angle rasant (GLAD) — a produit des films anisotropes à microstructure colonnaire et propriétés dépendantes de la direction. Les cellules solaires pérovskites (PSC) basées sur CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) ont atteint des rendements remarquables, mais la plupart utilisent des substrats TCO isotropes. Cette étude explore l'utilisation d'ITO pulvérisé sous angle oblique comme substrat pour les PSC planaires MAPbI₃, examinant comment l'anisotropie de surface impacte la croissance du film et la performance du dispositif.

Méthodes

Des substrats verre/ITO (1,5 × 1,5 cm²) ont été nettoyés séquentiellement à l'acétone, l'éthanol et l'eau déionisée (5 min ultrasons) et séchés à l'azote. Une couche ITO de 100 nm a été pulvérisée à 5 mTorr Ar, en variant l'angle de dépôt (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 80°) et le temps (5–30 min). Après dépôt, les films ont été recuits à 300 °C pendant 30 min. Le PEDOT:PSS (Clevios™ PH 1000) a été déposé par essorage sur l'ITO oblique (5000 tr/min, 30 s) et recuit à 110 °C pendant 10 min. Le MAPbI₃ a été déposé via un procédé d'essorage en deux étapes (1000 tr/min, 10 s ; 5000 tr/min, 20 s) avec une solution précurseur 1 mL DMSO/GBL (1:1) (1,25 mmol PbI₂, 1,25 mmol MABr). Lors de l'étape à 5000 tr/min, 100 µL de toluène anhydre a été goutté pour induire une cristallisation rapide. Les films ont été recuits à 100 °C pendant 10 min. Une couche PCBM de 50 nm (20 mg mL⁻¹ chlorobenzène) a été essorée (3000 tr/min, 30 s), suivie de l'évaporation de 20 nm d'Ag sous vide. Les dispositifs avaient une surface active de 0,5 × 0,2 cm² définie par un masque. L'analyse structurelle a utilisé la DRX (Cu Kα) et le MEB-FE ; la mouillabilité a été évaluée par l'angle de contact à l'eau. Les caractéristiques J-V ont été mesurées avec un Keithley 2420 sous illumination 1000 W m⁻² AM 1.5G.

Résultats et discussion

La cristallinité des films MAPbI₃ restait inchangée selon les angles de pulvérisation ; les pics DRX à 14,28°, 28,5°, 30,61° et 31,93° correspondaient respectivement à (110) MAPbI₃, (220) MAPbI₃, (110) SnO₂ et (222) In₂O₃, avec des tailles de domaines ≈71,8 nm (Scherrer). Le MEB-FE a révélé une croissance des grains avec l'augmentation de l'angle de pulvérisation, confirmant que la rugosité et la mouillabilité de l'ITO modulent la mouillabilité du PEDOT:PSS et la nucléation pérovskite. Les mesures d'angle de contact à l'eau ont montré une corrélation linéaire entre l'angle et la taille des grains, indiquant qu'une surface PEDOT:PSS plus hydrophobe (obtenue via des angles obliques plus élevés) favorise des grains pérovskites plus grands.

Les spectres de photoluminescence affichaient une émission dominante à 768 nm, inchangée selon l'ITO sous-jacent. L'extinction PL s'intensifiait avec des angles de pulvérisation plus élevés, témoignant d'une séparation d'excitons améliorée à l'interface PEDOT:PSS/pérovskite — la plus marquée à 80° grâce à une mouillabilité optimale.

La performance du dispositif culminait à un angle de pulvérisation de 30°. Le dépôt de 15 min offrait la meilleure conductivité tout en maintenant une diffusion de lumière suffisante. Le tableau 1 liste les métriques clés : J_SC = 20,46 mA cm⁻², V_OC = 0,92 V, FF = 60 %, et Eff = 11,30 %. L'augmentation de l'angle au-delà de 30° augmentait la résistance de surface et diminuait le rendement, illustrant le compromis entre propriétés optiques et électriques.

La variation du temps de pulvérisation optimisait davantage la performance (Tableau 2). Un dépôt de 15 min fournissait l'épaisseur et la conductivité optimales, atteignant le même rendement de 11,3 % qu'avec l'angle de 30°.

Conclusions

Nous avons démontré que les substrats ITO pulvérisés sous angle oblique modulent la morphologie des films MAPbI₃ et la performance des PSC. La configuration optimale — angle de pulvérisation 30° et dépôt 15 min — délivre 11,3 % de rendement, équilibrant conductivité et diffusion de lumière. Au-delà de 30°, l'augmentation de la résistance de surface l'emporte sur les bénéfices optiques, réduisant le rendement. Ces résultats soulignent l'importance d'adapter la microstructure des TCO pour améliorer la performance photovoltaïque pérovskite.

Abréviations

FESEM

Microscope électronique à balayage à émission de champ

GLAD

Dépôt sous angle rasant

ITO

Oxyde d'indium-étain

J‑V

Densité de courant–tension

MAPbI₃

CH₃NH₃PbI₃

PEDOT:PSS

Poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate

TCO

Oxyde conducteur transparent

XRD

Diffractomètre à rayons X