A l’aide de l’outil avancé de caractérisation NanoSIMS, les équipes du projet MINOTAURE ont pu étudier le positionnement de molécules fluorées dans une couche de pérovskite. Ces molécules ne se limitent pas à un simple revêtement de surface, mais pénètrent dans la partie supérieure du film et agissent comme des agents de passivation. Une action qui se traduit à l’échelle du dispositif par une amélioration conjointe du rendement et de la stabilité des cellules solaires.

Par Zhuoying Chen, Chargée de recherche CNRS (LPEM)

Les cellules solaires à pérovskites halogénées métallo-organiques font partie des technologies photovoltaïques les plus prometteuses pour compléter les filières actuelles de production d’énergie solaire. Elles suscitent un fort intérêt car elles associent des rendements élevés à des procédés de fabrication potentiellement simples, rapides et peu énergivores.

Pour transformer ces performances en dispositifs robustes, un enjeu clé est de mieux comprendre et contrôler les défauts présents dans les films de pérovskite. Ces défauts, souvent localisés aux surfaces et aux joints de grains, peuvent influencer l’extraction des charges, les pertes par recombinaison et l’évolution des performances sous environnement réel.

Les traitements moléculaires de surface, notamment les monocouches moléculaires auto-assemblées, sont aujourd’hui largement utilisés pour optimiser les interfaces des cellules et améliorer leur comportement. Mais leur action réelle reste encore partiellement comprise : agissent-ils uniquement comme une fine couche de l’interface, ou peuvent-ils pénétrer dans le matériau et passiver des défauts plus enfouis ? Répondre à cette question nécessite de cartographier directement leur distribution chimique en trois dimensions, à l’échelle nanométrique.

Suivre le signal des molécules fluorées

Dans ce travail, nous avons étudié des monocouches moléculaires auto-assemblées à base de silanes fluorés, déposées sur des films de pérovskite FA_0.9MA_0.1PbI₃ utilisés dans des cellules solaires. Ces molécules ont été choisies non seulement pour leurs propriétés de passivation et leur caractère hydrophobe, mais aussi parce que la présence de fluor offre un marqueur chimique particulièrement adapté à leur détection.

L’approche clé repose sur l’imagerie tridimensionnelle par spectrométrie de masse des ions secondaires à l’échelle nanométrique, ou NanoSIMS, qui permet de cartographier la distribution d’éléments chimiques à très petite échelle. En suivant le signal du fluor, nous avons pu visualiser directement la position des molécules fluorées dans la couche de pérovskite. Les résultats montrent que ces molécules ne se limitent pas à un simple revêtement de surface. Elles pénètrent dans la partie supérieure du film, jusqu’à près de 100 nm, et s’accumulent préférentiellement dans des régions déficientes en iode, associées aux joints de grains.

Cette observation révèle une distribution tridimensionnelle jusqu’ici largement inaccessible aux techniques classiques de caractérisation de surface.

Ces résultats modifient la compréhension du rôle des monocouches auto-assemblées dans les cellules à pérovskites. Elles ne doivent pas seulement être vues comme des couches interfaciales ajustant les niveaux d’énergie ou facilitant l’extraction des charges. Dans le cas étudié, elles agissent aussi comme des agents de passivation en volume proche de la surface, capables de cibler des chemins de défauts situés aux joints de grains. Des mesures complémentaires de photoluminescence montrent une réduction de la recombinaison non radiative, tandis que les mesures de potentiel de surface indiquent une modification de l’énergétique interfaciale qui facilite l’extraction des charges. Les mesures d’angle de contact confirment également une forte augmentation de l’hydrophobicité de la surface traitée.

Ces effets se traduisent à l’échelle du dispositif par une amélioration conjointe du rendement et de la stabilité des cellules solaires. Pour le traitement optimisé, le rendement de conversion passe d’environ 20,5 % pour les cellules de référence à environ 22,3 %. Des dispositifs non encapsulés présentent également une meilleure tenue lors du stockage en air humide et sous illumination continue en condition de fonctionnement. Plus qu’une simple optimisation de performance, l’ensemble des résultats met en évidence une double action des molécules fluorées : une action interfaciale classique, mais aussi une passivation tridimensionnelle de défauts situés dans le volume proche de l’interface.

Explorer sous la surface

Ce travail invite à reconsidérer le rôle des traitements moléculaires dans les dispositifs photovoltaïques à pérovskites. Certaines monocouches auto-assemblées ne sont pas uniquement des revêtements de surface : elles peuvent agir comme des modificateurs chimiques tridimensionnels, capables de pénétrer dans le film et de cibler des zones de défauts jusque-là difficiles à traiter.

Cette observation ouvre plusieurs perspectives. D’un point de vue fondamental, elle souligne l’importance de caractériser non seulement la chimie de surface, mais aussi la distribution spatiale réelle des molécules dans les matériaux polycristallins. D’un point de vue applicatif, elle suggère que la conception de nouveaux traitements moléculaires pourrait viser simultanément l’interface, les joints de grains et la stabilité environnementale. Le choix de la taille moléculaire, de la fonction d’ancrage, du moment dipolaire et de la capacité d’infiltration devient alors un levier de conception important.

Dans le cadre du PEPR TASE, ces résultats s’inscrivent dans l’objectif de développer des technologies photovoltaïques plus performantes, plus fiables et mieux comprises. Ils montrent aussi l’intérêt des outils avancés de caractérisation, comme la NanoSIMS, pour établir un lien direct entre chimie locale, défauts nanométriques et comportement macroscopique des cellules solaires.

Pour comprendre et stabiliser les cellules solaires à pérovskites, il ne suffit pas de savoir quelles molécules sont déposées, il faut aussi savoir où elles vont réellement.

Au-delà de l’amélioration des performances obtenue ici, le message principal de ce travail est méthodologique et conceptuel : pour comprendre et stabiliser les cellules solaires à pérovskites, il ne suffit pas de savoir quelles molécules sont déposées, il faut aussi savoir où elles vont réellement. La cartographie chimique tridimensionnelle révèle que des traitements considérés comme purement interfaciels peuvent en réalité agir dans le volume proche de la surface. Cette approche pourrait être étendue à d’autres familles de molécules, d’autres compositions de pérovskites et d’autres architectures de dispositifs, afin de concevoir des stratégies de passivation plus rationnelles et plus durables.

Beyond the Surface: Three-Dimensional Distribution and Defect Passivation of Self-Assembled Monolayers in Perovskite Solar Cells

ACS Nano, 20, 11294-11305 (2026), DOI : 10.1021/acsnano.6c00728
Zhuoying Chen et al., LPEM, CNRS UMR 8213, ESPCI Paris, Université PSL, Sorbonne Université

Dans le cadre du projet MINOTAURE, en partenariat avec le LPEM, l’IRCP, le GeePs et une nouvelle collaboration avec l’IMPMC-Sorbonne Université.

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Ces travaux entrent dans le cadre du projet MINOTAURE du PEPR TASE, piloté par James Connolly, qui vise à répondre aux problèmes de fiabilité et de durabilité des nouvelles technologies de cellules photovoltaïques, qui constituent un enjeu majeur pour leur industrialisation et leur pénétration sur le marché.

Le projet réunit un ensemble de partenaires possédant des expertises complémentaires dans différents domaines de caractérisation et de modélisation et prévoit de déployer ces expertises dans une approche globale et multimodale pour appréhender les mécanismes de dégradation des cellules, les analyser et les comprendre, pour ensuite pouvoir les contourner ou les éliminer.