Le développement d'électrodes métalliques stables et à faible coût est crucial pour la production de masse de cellules solaires en pérovskite (PSC). En tant qu'élément abondant dans la terre, le Cu devient un candidat alternatif pour remplacer les électrodes de métaux nobles telles que Au et Ag, en raison de ses propriétés physicochimiques comparables avec simultanément une bonne stabilité et un faible coût. Cependant, l'alignement de bande indésirable associé à l'architecture du dispositif empêche l'exploration de PSC n-i-p efficaces à base de Cu. Pour résoudre ce problème, des chercheurs chinois ont étudié la différence de niveau d'énergie à différentes interfaces et ont proposé une voie potentielle pour obtenir des PSC n-i-p plus efficaces avec une électrode en Cu.

Ils ont publié leurs travaux le 8 juillet dans Energy Material Advances .

"Le développement de PSC rentables et performants est impératif", a déclaré l'auteur de l'article Huanping Zhou, professeur à l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Pékin (PKU). "Actuellement, l'électrode Cu a attiré beaucoup d'attention en raison de son faible coût et de sa bonne stabilité, mais ses performances sont limitées pour les PSC à structure n-i-p."

Zhou a expliqué que l'électrode en Cu présente plusieurs avantages significatifs en tant qu'alternative à l'Au ou à l'Ag, en particulier en tant qu'électrode arrière, qui est responsable du transport des porteurs dans l'appareil.

"Cu est l'élément le plus abondant de la terre, et il coûte moins de 1/80ème de celui d'Ag et 1/5500ème de celui d'Au", a déclaré Zhou. "Cu est le candidat prometteur pour être une électrode PSC pour ses propriétés physiques comparables (c'est-à-dire la conductivité) avec Au et Ag, et sa bonne stabilité."

Mais les PSC n-i-p à base de Cu ne peuvent pas présenter de performances photovoltaïques élevées. Selon Zhou, l'obstacle majeur est que le niveau de Fermi de la couche de transport des trous (HTL, comme Spiro-OMeTAD, -4,19 eV) est assez différent avec la fonction de travail de Cu (-4,7 eV), ce qui conduit à une grande barrière Schottky à l'interface HTL/Cu. Ce phénomène n'existe pas dans les PSC p-i-n, car le niveau de Fermi de C₆₀ couramment utilisé (couche de transport d'électrons) est d'environ –4,5 eV, ce qui est similaire au travail de sortie de Cu. C'est pourquoi les PSC p-i-n à base de Cu peuvent présenter des performances optoélectroniques élevées, contrairement aux PSC n-i-p à base de Cu.

Pour résoudre ce problème, Zhou et son équipe ont systématiquement ajusté le niveau de Fermi des HTL pour qu'il corresponde à la fonction de travail de l'électrode Cu, de sorte que la différence d'énergie à l'interface HTL/Cu puisse être réduite pour un meilleur transport des porteurs. Cependant, la différence d'énergie entre la pérovskite (le niveau de Fermi est de -4,08 eV) et l'électrode Cu est constante, de sorte que la plus petite différence d'énergie entre HTL et Cu signifie une plus grande différence d'énergie entre la pérovskite et HTL, ce qui est délétère pour l'extraction des porteurs. Comment équilibrer la différence d'énergie entre les interfaces pérovskite/HTL et HTL/Cu devient important pour les performances du PSC.

"Tout comme l'effet de compartiment, nous espérons que les interfaces pérovskite/HTL et HTL/Cu ne sont pas les compartiments les plus courts pendant le fonctionnement de l'appareil", a déclaré Zhou. "Dans cet article, nous avons soigneusement ajusté le niveau de Fermi des HTL pour équilibrer la différence d'énergie aux interfaces pérovskite/HTL et HTL/Cu, en ajoutant différentes quantités de PTAA dans Spiro-OMeTAD."

"Nous avons conclu que la différence d'énergie équilibrée entre les interfaces pérovskite/HTL et HTL/Cu pourrait améliorer considérablement les propriétés de collecte et de transport de charge dans les dispositifs PSC n-i-p résultants", a déclaré Zhou.

Les chercheurs ont testé les performances optoélectroniques des PSC n-i-p basés sur l'électrode Cu et différents HTL. Grâce aux paramètres photovoltaïques, a déclaré Zhou, une plus petite différence d'énergie entre HTL et Cu pourrait conduire à une densité de courant de court-circuit (Jsc) plus élevée, tandis qu'une plus petite différence d'énergie entre la pérovskite et HTL pourrait conduire à une tension de circuit ouvert (Voc) plus élevée. Enfin, la différence d'énergie équilibrée entre les interfaces pérovskite/HTL et HTL/Cu pourrait conduire à des Jsc et Voc modérés, en particulier un facteur de remplissage (FF) plus élevé, ce qui a finalement contribué à l'amélioration de l'efficacité de conversion de puissance (PCE).

"Le PSC n-i-p le plus performant avec l'électrode Cu a atteint un PCE de 20,10 % avec un Voc de 1,084 V et un FF de 78,77 %", a déclaré Zhou. "Les appareils ont également présenté une bonne stabilité, qui pouvait rester à 92 % de leur PCE initial après 1000 h de stockage. Cette découverte étend non seulement la compréhension de l'alignement des bandes de la couche fonctionnelle semi-conductrice voisine dans l'architecture de l'appareil pour améliorer les performances résultantes, mais suggère également un grand potentiel de l'électrode Cu pour une application dans la communauté des PSC. » + Explorer plus loin

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