Une nouvelle technique d'impression de solution à basse température permet la fabrication de cellules solaires à pérovskite à haute efficacité avec de gros cristaux destinés à minimiser les joints de grains voleurs de courant. La technique d'impression en solution assistée par ménisque (MASP) augmente les rendements de conversion de puissance à près de 20 % en contrôlant la taille et l'orientation des cristaux.

Le processus, qui utilise des plaques parallèles pour créer un ménisque d'encre contenant les précurseurs de pérovskite aux halogénures métalliques, pourrait être mis à l'échelle pour générer rapidement de grandes zones de film cristallin dense sur une variété de substrats, y compris les polymères flexibles. Les paramètres opératoires du processus de fabrication ont été choisis en utilisant une étude cinétique détaillée des cristaux de pérovskite observés tout au long de leur cycle de formation et de croissance.

"Nous avons utilisé une technique d'impression en solution assistée par ménisque à basse température pour fabriquer des films de pérovskite de haute qualité avec des performances optoélectroniques bien améliorées, " dit Zhiqun Lin, professeur à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. "Nous avons commencé par développer une compréhension détaillée de la cinétique de croissance cristalline qui nous a permis de savoir comment les paramètres de préparation doivent être réglés pour optimiser la fabrication des films."

La nouvelle technique est signalée le 7 juillet dans le journal Communication Nature . La recherche a été soutenue par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force (AFOSR) et la National Science Foundation (NSF).

Les pérovskites offrent une alternative intéressante aux matériaux traditionnels pour capter l'électricité à partir de la lumière, mais les techniques de fabrication existantes produisent généralement de petits grains cristallins dont les limites peuvent piéger les électrons produits lorsque les photons frappent les matériaux. Les techniques de production existantes pour préparer des films de pérovskite à gros grains nécessitent généralement des températures plus élevées, ce qui n'est pas favorable pour les matériaux polymères utilisés comme substrats - ce qui pourrait aider à réduire les coûts de fabrication et permettre des cellules solaires à pérovskite flexibles.

Alors Lin, Le chercheur scientifique Ming He et ses collègues ont décidé d'essayer une nouvelle approche qui repose sur l'action capillaire pour attirer l'encre pérovskite dans un ménisque formé entre deux plaques presque parallèles distantes d'environ 300 microns. La plaque inférieure se déplace en continu, permettant au solvant de s'évaporer au bord du ménisque pour former de la pérovskite cristalline. Au fur et à mesure que les cristaux se forment, de l'encre fraîche est aspirée dans le ménisque en utilisant le même processus physique qui forme un anneau de café sur une surface absorbante telle que du papier.

"Parce que l'évaporation du solvant déclenche le transport des précurseurs de l'intérieur vers l'extérieur, les précurseurs de pérovskite s'accumulent au bord du ménisque et forment une phase saturée, " expliqua Lin. " Cette phase saturée conduit à la nucléation et à la croissance des cristaux. Sur une grande surface, nous voyons un film plat et uniforme ayant une cristallinité élevée et une croissance dense de gros cristaux."

Pour établir la vitesse optimale de déplacement des plaques, la distance entre les plaques et la température appliquée à la plaque inférieure, les chercheurs ont étudié la croissance des cristaux de pérovskite pendant la MASP. En utilisant des films pris au microscope optique pour surveiller les grains, ils ont découvert que les cristaux se développent d'abord à une vitesse quadratique, mais lent à un taux linéaire quand ils ont commencé à empiéter sur leurs voisins.

"Quand les cristaux se heurtent à leurs voisins, qui affecte leur croissance, " a noté He. "Nous avons découvert que tous les grains que nous avons étudiés suivaient une dynamique de croissance similaire et formaient un film continu sur le substrat."

Le procédé MASP génère des cristaux relativement gros - 20 à 80 microns de diamètre - qui recouvrent la surface du substrat. Avoir une structure dense avec moins de cristaux minimise les lacunes qui peuvent interrompre le flux de courant, et réduit le nombre de frontières qui peuvent piéger les électrons et les trous et leur permettre de se recombiner.

A partir de films réalisés avec le procédé MASP, les chercheurs ont construit des cellules solaires dont l'efficacité de conversion d'énergie s'élève en moyenne à 18 %, certaines pouvant atteindre 20 %. Les cellules ont été testées avec plus de 100 heures de fonctionnement sans encapsulation. "La stabilité de notre film MASP est améliorée grâce à la haute qualité des cristaux, " dit Lin.

Le doctor-blading est l'une des techniques de fabrication de pérovskite conventionnelles dans lesquelles des températures plus élevées sont utilisées pour évaporer le solvant. Lin et ses collègues ont chauffé leur substrat à seulement environ 60 degrés Celsius, qui serait potentiellement compatible avec des matériaux de substrat polymère.

Jusque là, les chercheurs ont produit des échantillons à l'échelle centimétrique, mais ils pensent que le processus pourrait être étendu et appliqué à des substrats flexibles, facilitant potentiellement le traitement continu rouleau à rouleau des matériaux de pérovskite. Cela pourrait aider à réduire le coût de production des cellules solaires et autres dispositifs optoélectroniques.

"La technique d'impression en solution assistée par ménisque aurait des avantages pour les cellules solaires flexibles et d'autres applications nécessitant un processus de fabrication continu à basse température, " Lin a ajouté. " Nous nous attendons à ce que le processus puisse être étendu pour produire un débit élevé, films pérovskites à grande échelle."

Parmi les prochaines étapes figurent la fabrication des films sur des substrats polymères, et évaluer d'autres propriétés uniques (par exemple, thermique et piézotronique) du matériau.