Optimisation de la morphologie de CH₃NH₃PbI₃ pour une performance accrue des cellules solaires pérovskites

Résumé

Nous avons étudié comment la variation des concentrations d'iodure de méthylammonium (MAI) dans un procédé humide en deux étapes influence la morphologie et la performance photovoltaïque de films pérovskites CH₃NH₃PbI₃. L'architecture du dispositif — verre/FTO/TiO₂-méso-poreux/CH₃NH₃PbI₃/spiro-OMeTAD/Ag — a été fabriquée sur substrats FTO de 1,5 × 1,5 cm². En ajustant systématiquement la vitesse de centrifugage et la température de recuit, nous avons optimisé la qualité du film et atteint un rendement de conversion de puissance (PCE) record de 17,42 %, avec une tension à circuit ouvert (Voc) de 0,97 V, une densité de courant de court-circuit (Jsc) de 24,06 mA cm⁻² et un facteur de forme (FF) de 0,747.

Contexte

Les pérovskites organiques-inorganiques ont émergé comme candidats de premier plan pour les photovoltaïques à couches minces de prochaine génération, atteignant des PCE qui ont grimpé de 3,8 % à plus de 22 % au cours de la dernière décennie. La fabrication en deux étapes — d'abord dépôt de PbI₂, puis conversion en CH₃NH₃PbI₃ via exposition au MAI — est privilégiée pour son uniformité de film et sa reproductibilité supérieures.

Bien que de nombreux travaux aient optimisé la chimie des précurseurs et les paramètres de dépôt, l'impact spécifique de la concentration en MAI sur la croissance des grains, la couverture de surface et ultimement la performance du dispositif reste sous-exploré. Ici, nous faisons varier systématiquement les niveaux de MAI (10 mg mL⁻¹ vs 40 mg mL⁻¹) et caractérisons la morphologie, la cristallinité et les propriétés optoélectroniques résultantes pour élucider leur influence sur le PCE.

Méthodes

Le verre FTO (1,5 × 1,5 cm²) a été nettoyé séquentiellement à l'acétone, éthanol et eau déionisée, puis séché sous azote. Une couche compacte de TiO₂ de 50 nm a été déposée par pyrolyse spray à 500 °C, suivie d'une couche de TiO₂ méso-poreux (Dyesol 18NR-T) centrifugée et recuite à 450 °C. Le PbI₂ (1 M dans DMF, 70 °C) a été centrifugé à 7000 tr/min ; le film a ensuite été trempé dans du MAI/IPA à 10 mg mL⁻¹ ou 40 mg mL⁻¹ pendant 30 s, séché et recuit (100–120 °C) pendant 20 min.

La couche de transport de trous (spiro-OMeTAD, 0,170 M) était dopée avec LiTFSI (60 mM) et TBP (200 mM) et centrifugée à 4000 tr/min. Une électrode Ag de 100 nm était évaporée thermiquement à travers un masque définissant une zone active de 2 × 5 mm². Les mesures J-V étaient conduites sous illumination AM1.5G (100 mW cm⁻²) avec un Keithley 2400. Les analyses MEB, DRX, UV-vis et PL (état stationnaire et TRPL) caractérisaient la morphologie, la cristallinité, l'absorption optique et la dynamique des porteurs.

Résultats et discussion

Les images MEB (Fig. 2) révèlent que les films à faible MAI exhibent de gros grains tétragonaux avec une couverture de surface modeste, tandis que les films à fort MAI forment des cristaux denses, lisses, de ~200–600 nm (Fig. 3). Le DRX (Fig. 4) confirme qu'un recuit optimal (>80 °C pour haut MAI) produit une phase unique CH₃NH₃PbI₃, tandis que des températures plus basses laissent du PbI₂ résiduel, réduisant l'efficacité.

Les données de photoluminescence (Fig. 5) montrent que les films à faible MAI atteignent une émission de pic à 768 nm (durée de vie 25 ns), tandis que les films à fort MAI décalent vers 773 nm avec une durée de vie plus courte de 14 ns — indicatif d'une extraction de porteurs efficace à l'interface TiO₂.

La performance du dispositif (Fig. 8) démontre que les cellules à haut MAI délivrent un Jsc plus élevé (~2 mA cm⁻² au-dessus du faible MAI) grâce à une absorption et un transport de charge améliorés, tandis que les cellules à faible MAI exhibent un Voc légèrement plus élevé, probablement du PbI₂ résiduel. Sur 50 dispositifs, le procédé à haut MAI atteint un PCE moyen de 13,7 % (σ = 1,28 %) avec >75 % excédant 13 % sous un soleil. La cellule optimale atteint 17,42 % d'efficacité, 0,97 V Voc, 24,06 mA cm⁻² Jsc et 0,747 FF.

Conclusions

L'ajustement de la concentration en MAI dans une voie de dépôt pérovskite en deux étapes adapte efficacement la taille des grains et la morphologie de surface, influençant directement les métriques photovoltaïques. Le traitement à haut MAI produit des films compacts, sans défauts, qui permettent des cellules solaires pérovskites efficaces à 17,42 % et reproductibles. Cette étude souligne le rôle critique de la stœchiométrie des précurseurs et du traitement thermique dans la mise à l'échelle des photovoltaïques pérovskites à haute performance.

Abréviations

FTO :

Oxyde d'étain dopé au fluor

J-V :

Densité de courant-tension

MAI :

CH₃NH₃I

MAPbI₃ :

CH₃NH₃PbI₃

PCE :

Rendement de conversion de puissance

PL :

Photoluminescence

MEB :

Microscope électronique à balayage

TRPL :

Photoluminescence résolue en temps

DRX :

Diffraction des rayons X