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1. Contexte de recherche, problématique et motivation initiale
Les cellules solaires à base de pérovskites ont connu un développement spectaculaire en une décennie, atteignant des rendements comparables à ceux du silicium, avec des procédés de fabrication potentiellement moins coûteux et moins énergivores. Leur instabilité en fonctionnement reste toutefois un frein majeur à leur commercialisation. Sous l’effet de la lumière, de la chaleur ou de l’humidité, elles se dégradent, entraînant une perte progressive de performances.
Un enjeu clé, encore mal compris, concerne les interfaces internes entre les différentes couches du dispositif, où débutent souvent les processus de dégradation. Ces interfaces étant enfouies, il est notamment impossible de mesurer directement leur température locale, pourtant cruciale pour comprendre les mécanismes de vieillissement. Notre objectif était donc de développer un outil permettant de sonder en temps réel ces régions internes lors du fonctionnement de la cellule.
2. Résumé de la recherche et résultats obtenus
Nous présentons une méthode originale permettant d’étudier la dégradation des cellules solaires pérovskites directement in situ, sous éclairage continu et avec un suivi périodique des performances photovoltaïques. Pour cela, nous intégrons dans le dispositif des nanoparticules « upconversion », constituées de fluorures dopés aux terres rares. Excitées par une lumière infrarouge, ces nanoparticules émettent une lumière visible dont l’intensité dépend fortement de la température, ce qui en fait des sondes thermométriques nanométriques.
Ces nanoparticules sont placées précisément à l’interface entre la couche de pérovskite et la couche extractrice de trous (HTL), une région critique où la dégradation est souvent initiée. La cellule est soumise à un laser bleu continu afin d’accélérer le vieillissement, tandis que nous mesurons simultanément la température locale à l’interface, les propriétés optiques du dispositif et, à intervalles réguliers, ses performances photovoltaïques. Cette approche permet ainsi, pour la première fois, de suivre en temps réel et à l’intérieur même du dispositif l’évolution couplée de la température interfaciale, des propriétés optiques de la couche active et des performances électriques.
Les mesures révèlent que la température interfaciale n’évolue pas de manière monotone. Trois régimes distincts apparaissent selon l’intensité lumineuse. À faible ou moyenne intensité, la température augmente progressivement, traduisant une accumulation de chaleur. À forte intensité, elle diminue au cours du temps, car la décomposition de la pérovskite réduit son absorption lumineuse et donc la chaleur générée. Un régime intermédiaire présente une évolution mixte, avec une montée initiale de la température suivie d’une décroissance, reflétant la compétition entre accumulation thermique et dégradation du matériau.
Des analyses optiques et structurales complémentaires montrent que ces signatures thermiques sont directement corrélées aux transformations physico-chimiques du matériau et à la perte de performances photovoltaïques. La température interfaciale apparaît ainsi comme un indicateur particulièrement sensible de l’évolution interne du dispositif et permet d’identifier différents régimes de dégradation au cours du vieillissement.
3. Implications, applications potentielles et perspectives
Ce travail montre que la nanothermométrie constitue un outil puissant pour comprendre les mécanismes de vieillissement des cellules solaires à pérovskites, en donnant accès à des informations jusque-là inaccessibles sur les interfaces enterrées. Cette approche ouvre des perspectives pour concevoir des dispositifs plus stables, en optimisant les matériaux et les architectures d’interface.
Au-delà des cellules pérovskites, la méthode est transposable à d’autres dispositifs optoélectroniques, tels que les LEDs ou les photodétecteurs. À plus long terme, elle pourrait contribuer au développement de dispositifs capables de suivre leur propre état de santé grâce à des sondes thermiques intégrées.
Contacts :
Z. Chen (CNRS/LPEM/ESPCI)
Publication :
Nano Energy, 144, 111405 (2025)
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111405
Vulgarisation :
https://www.pepr-tase.fr/2025/12/05/temperature-perovskites/