Pendant des années, la course aux meilleures cellules solaires à pérovskite s’est jouée autour de la couche absorbant la lumière elle-même : ajuster le cristal, élargir la bande interdite, ajouter un additif de passivation. Un nouvel article suggère que la frontière décisive s’est déplacée vers quelque chose d’absurdement mince : un tapis moléculaire unique, d’environ un millième de la longueur d’onde de la lumière visible, posé entre la pérovskite et l’électrode. L’ingénierie de ce tapis a porté le rendement certifié au-delà de 27 % et, plus frappant encore, a transformé la durée pendant laquelle les cellules tiennent sous un éclairage continu. Ces travaux, publiés dans Nature Communications, proviennent d’une équipe dirigée par l’université de Chongqing, avec des collaborateurs au Japon et à Hong Kong.
Les cellules solaires à pérovskite sont construites comme des sandwichs : un cristal de pérovskite absorbant la lumière entre une couche collectrice d’électrons et une couche collectrice de trous. La configuration qui progresse le plus vite, dite inversée ou p-i-n, collecte les trous à l’électrode inférieure, et elle est prisée pour sa durabilité et sa compatibilité avec les cellules tandem, dans lesquelles une pérovskite est posée au-dessus d’une cellule de silicium. Sa couche de transport de trous est de plus en plus souvent constituée de monocouches auto-assemblées, les SAM : de petites molécules en trois parties, une ancre d’acide phosphonique qui se lie à la surface d’oxyde métallique, un linker et un groupe terminal qui fixe le paysage énergétique et touche la pérovskite. Les SAM sont bon marché, minces et transparentes, mais elles ont une faiblesse connue. Elles ont tendance à s’agglutiner, elles mouillent les surfaces de manière inégale, et leur interaction avec la pérovskite est souvent faible, ce qui crée des pertes d’énergie à l’interface enterrée, la frontière où la pérovskite rencontre la couche de transport. Ces pertes coûtent de la tension, et c’est sur la tension que les cellules modernes gagnent ou perdent.
L’équipe, avec Yi Pan, Lei Liu, Haoxuan Guo et Changqin Lin comme co-premiers auteurs, et Kuan Sun, Qiang Liao et leurs collègues comme auteurs de correspondance, est partie de la molécule de travail 2PACz, une SAM à base de carbazole, et a ajouté un groupe 3,5-diméthoxyphényle à son extrémité terminale, produisant une nouvelle molécule qu’elle appelle DMPA. L’ajout est petit par l’échelle, grand par l’effet. Les deux groupements méthoxy portent des atomes d’oxygène riches en électrons qui se lient chimiquement à la pérovskite au-dessus et renforcent l’ancrage à la surface d’oxyde de nickel en dessous. Les calculs ont montré que la DMPA possède l’énergie d’adsorption la plus forte des molécules testées, -2,67 électronvolts sur l’oxyde, et les simulations de dynamique moléculaire ont montré qu’elle supprime sa propre agglutination, se compactant plus densément (6,8 x 10^13 molécules par centimètre carré contre 4,5 x 10^13 pour la couche standard) et doublant presque la mobilité des trous.
Le gain électrique est un rendement de conversion de puissance record de 27,59 %, certifié indépendamment à 27,2 % par l’Institut national de métrologie et d’essais de Chine (National Institute of Measurement and Testing Technology), avec une recombinaison non radiative réduite à l’interface (la pente d’intensité lumineuse est passée de 1,66 à 1,21 kT/q). Mais les chiffres de durabilité sont sans doute l’histoire la plus marquante. Sous le protocole ISOS-L-2, des cellules encapsulées maintenues à 65 °C sous un éclairage LED blanc à un soleil avec suivi du point de puissance maximale ont conservé 94,5 % de leur rendement initial après 1 600 heures. Le témoin standard 2PACz a conservé 66,9 % ; l’analogue non méthoxylé BCPA a conservé 86,4 %. Même le stockage non encapsulé sous azote a suivi le même schéma : 95,9 % de rétention après 2 000 heures pour la DMPA, contre 72,7 % pour le témoin.
Le contraste avec le témoin est la démonstration la plus nette que la stabilité se gagne à l’interface, et non dans l’absorbeur. On soupçonne depuis longtemps les dispositifs à base de SAM de défaillir à l’interface enterrée, là où un contact moléculaire faible laisse les défauts et les contraintes s’accumuler. Une molécule qui relie chimiquement les deux côtés de cette frontière traite directement la défaillance.
Le contexte compte pour lire ces chiffres. Les 27,2 % certifiés placent les cellules à base de DMPA parmi les meilleurs dispositifs inversés à jonction unique, une catégorie qui a progressé rapidement ces deux dernières années ; les cellules tandem, qui empilent deux absorbeurs, ont déjà atteint des rendements certifiés supérieurs à 31 %, dont un tandem pérovskite-silicium évaporé de grande surface rapporté plus tôt ce mois-ci. L’importance de cet article tient à la boîte à outils, pas au titre : une règle de conception du groupe terminal (ajouter des groupes riches en électrons qui lient l’interface) que d’autres équipes peuvent appliquer à leurs propres molécules.
Les réserves sont courantes dans le domaine et méritent d’être énoncées. Les cellules record sont à l’échelle du laboratoire, pas des modules. Les tests de stabilité se déroulent sous azote avec encapsulation, une condition contrôlée qui ne reproduit pas les conditions météorologiques extérieures, et 65 °C est une température élevée, mais inférieure à la norme de durabilité automobile de 85 °C qu’exigent certaines applications. La certification provient d’une seule institution. Et le manuscrit est une version en accès anticipé, publiée sous forme non éditée avant la relecture finale.
La direction du domaine reste néanmoins visible dans ces travaux : alors que l’absorbeur approche de ses limites théoriques, les volts fuient aux joints, les joints moléculaires entre les couches. La réponse de l’équipe, une molécule qui donne la main aux deux côtés de l’interface, rappelle qu’à l’échelle du nanomètre, la chimie est le matériau d’ingénierie ultime.
Traduit par Lydie
Sources: Pan, Y., Liu, L., Guo, H. et al. Self-assembled multilayers reduce interfacial energy loss in perovskite solar cells. Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-76497-1.