Fabrication par pyrolyse par pulvérisation de particules de pérovskite MAPbI3 de haute pureté pour cellules solaires à couches minces

Résumé

Nous présentons une étude comparative de trois voies évolutives pour produire des particules de pérovskite iodure de méthylammonium de plomb (MAPbI3) : (1) précipitation par antisolvant, (2) broyage de mélange sec, et (3) pyrolyse par pulvérisation. La pyrolyse par pulvérisation, qui atomise la solution précurseur dans un réacteur à paroi chaude, fournit des poudres cristallines exemptes d'impuretés avec des distributions de taille étroites et produit un film mince de pérovskite uniforme lorsqu'il est utilisé pour fabriquer une cellule solaire mésoporeuse (PCE = 2,05 %). Ces résultats démontrent que la pyrolyse par pulvérisation est la méthode la plus efficace pour générer des pâtes de pérovskite de haute qualité adaptées à la fabrication de dispositifs à grande surface.

Contexte

Les pérovskites halogénures organométalliques—en particulier celles incorporant le méthylammonium (MA), la formamidinium (FA) ou le césium (Cs)—sont à l'avant-garde de la recherche photovoltaïque et sont également explorées pour les transistors, LED et capteurs de rayonnement. Bien que la plupart des travaux se concentrent sur le dépôt de couches minces, les particules pérovskites nanocristallines offrent des effets de confinement quantique et de nouvelles architectures de dispositifs. La littérature est dominée par les nanocristaux tout inorganiques à base de Cs ; cependant, les particules à base de MA restent sous-explorées, particulièrement dans le contexte de la production évolutive.

Présentation de l'hypothèse

Nous proposons trois stratégies de synthèse distinctes pour les particules MAPbI3 :

1. Précipitation par antisolvant – Ajout goutte à goutte d'une solution précurseur de pérovskite dans le toluène.
2. Broyage de mélange sec – Mélange mécanique de poudres MAI et PbI2 sur un agitateur magnétique à 200 °C.
3. Pyrolyse par pulvérisation – Atomisation de la solution précurseur avec une buse de 0,2 mm dans un chauffage en acier inoxydable à deux étages (275 °C/175 °C). Cette méthode exploite l'évaporation du solvant et la conversion chimique in-situ pour former des particules cristallines.

La figure 1 illustre le schéma des trois voies.

Test des hypothèses

Les précurseurs pérovskites (MAI = 158 mg, PbI2 = 420 mg) ont été dissous dans 1 mL DMSO. La solution résultante de 1 mL a été traitée par chaque méthode, et les poudres ont été recuites à 150 °C (antisolvant) ou collectées directement (pulvérisation) pour caractérisation.

1. Méthode par antisolvant

La précipitation rapide a produit une poudre jaune après 2 min ; l'agitation continue pendant 20 min a donné une dispersion colloïdale. La DRX (Bruker D5005) a confirmé la formation de pérovskite avec des pics d'impuretés mineurs.

2. Méthode de broyage

Des rapports de masse MAI/PbI2 de 1:1 et 1:2 ont été testés à 200 °C. La DRX a montré des pics de pérovskite dominants mais des signaux résiduels de PbI2, indiquant une conversion incomplète.

3. Méthode par pulvérisation

En utilisant une pression d'air de 2 psig, les gouttelettes entraient dans un chauffage de 10 cm × 30 cm. Le premier étage (275 °C) évaporait le solvant ; le second étage à 175 °C prévenait la décomposition, produisant une poudre hautement cristalline, exempte d'impuretés.

La figure 2 présente les motifs DRX, et la figure 3 montre les images MEB révélant des particules de taille micronique, irrégulières ; les poudres dérivées de la pulvérisation présentent la distribution de taille la plus étroite (Figure 4).

Implication de l'hypothèse

Les pâtes pérovskites ont été formulées en dispersant 20 mg de chaque poudre dans 10 μL d'éthanol et déposées par lame sur des couches de TiO2 mésoporeux sur verre FTO. La MEB (Figure 6) montre que seule la pâte dérivée de la pulvérisation forme un film continu, sans défauts. Les spectres UV-Vis (Figure 7) confirment le bord d'absorption attendu à ~750 nm pour les films dérivés de la pulvérisation.

Nous avons fabriqué une cellule solaire MAPbI3 de base : TiO2 / pérovskite / Spiro-OMeTAD / Au. Le dispositif a présenté un PCE de 2,05 % (Voc < 0,4 V, Jsc = 6,3 mA cm⁻², FF = 0,8), limité par la recombinaison de charge interfaciale probablement causée par une faible liaison des particules dans le film. Des liants améliorés pourraient améliorer la performance.

Conclusions

La pyrolyse par pulvérisation produit de manière cohérente des particules MAPbI3 cristallines, exemptes d'impuretés, avec une distribution de taille étroite, permettant la fabrication de films pérovskites uniformes et de cellules solaires fonctionnelles. Cette voie évolutive est prometteuse pour la fabrication de dispositifs pérovskites à grande surface.