Cellule tandem pérovskite-organique : un rendement record de 27,35 %

Des chercheurs de l’Université de Nankin, en Chine, ont porté à 27,35 % le rendement d’une cellule solaire tandem pérovskite-organique — 26,88 % en valeur certifiée, le meilleur résultat vérifié jamais rapporté pour cette configuration. Le gain repose sur un nouvel accepteur à faible bande interdite qui élargit l’absorption dans le proche infrarouge tout en limitant les pertes de tension.

En bref

• 27,35 % de rendement en laboratoire, 26,88 % certifié, contre 25,69 % pour un dispositif de référence à accepteur conventionnel.
• Le nouvel accepteur non fullerénique Zh-F affiche une bande interdite optique de 1,23 eV et un cœur hétéroheptacène.
• Architecture tandem monolithique à deux bornes : cellule pérovskite à large bande interdite en façade, cellule organique en arrière.
• La cellule organique ternaire seule atteint 19,84 % avec une perte de tension limitée à 0,510 V.
• Le dispositif non encapsulé conserve 80 % de ses performances après environ 744 heures d’éclairage continu à 1 soleil.

Le problème : un déséquilibre de photocourant entre les deux sous-cellules

Dans une cellule tandem pérovskite-organique, la sous-cellule organique à faible bande interdite génère une densité de photocourant nettement inférieure à celle de la sous-cellule pérovskite à large bande interdite. « Ce déséquilibre provient en grande partie du chevauchement important entre les spectres d’efficacité quantique externe des deux sous-cellules, à proximité du bord d’absorption de la couche de pérovskite », explique Qingdong Zheng, auteur correspondant de l’étude publiée dans la revue Joule.

La piste suivie consiste donc à développer des accepteurs très efficaces dans le proche infrarouge, afin de minimiser ce chevauchement spectral et d’améliorer l’appariement des photocourants. Les travaux antérieurs, s’appuyant sur différents accepteurs non fulléréniques, avaient permis d’atteindre des rendements certifiés compris entre 22,0 % et 26,4 %.

Zh-F, un accepteur conçu pour capter l’infrarouge

Les chercheurs ont synthétisé un accepteur non fullerénique inédit, baptisé Zh-F, doté d’une bande interdite optique de 1,23 eV. Son cœur hétéroheptacène, fortement donneur d’électrons, abaisse la bande interdite et étend l’absorption vers le proche infrarouge.

Zh-F a ensuite été associé à BTP-eC9, un accepteur haute performance de la famille Y, et au donneur polymère PM6, formant une hétérojonction ternaire à absorption complémentaire. La cellule organique PM6:BTP-eC9:Zh-F obtenue atteint un rendement de 19,84 %, une tension en circuit ouvert de 0,853 V, une densité de courant de court-circuit de 29,00 mA cm⁻² et une perte de tension limitée à 0,510 V.

Une architecture monolithique à deux bornes

Le dispositif est construit sur un substrat verre/ITO. La cellule supérieure en pérovskite — 19,45 % de rendement seule, 1,32 V de tension en circuit ouvert, 17,63 mA cm⁻² et un facteur de forme de 83,65 % — associe une couche de transport des trous en oxyde de nickel, une monocouche auto-assemblée de Ph-4PACz, un absorbeur pérovskite à large bande interdite et une couche de transport des électrons en C₆₀.

Une couche de recombinaison intermédiaire assure le couplage électrique avec la sous-cellule organique, composée d’une couche sélective aux trous en Ph-2PACz, de l’absorbeur photoactif, d’une couche de transport des électrons à base de pérylène-diimide PDIP et d’un contact en argent. La cellule avant capte les photons de plus haute énergie, la cellule arrière prolonge la collecte jusqu’au proche infrarouge.

27,35 % en laboratoire, 26,88 % certifiés

Dans des conditions d’éclairage standard, le tandem atteint 27,35 % de rendement, avec une tension en circuit ouvert de 2,16 V, une densité de courant de court-circuit de 15,35 mA cm⁻² et un facteur de forme de 82,39 %. Le dispositif de référence, bâti sur un accepteur conventionnel, plafonne à 25,69 %.

« Le dispositif tandem a atteint un rendement certifié de 26,88 %, ce qui constitue le rendement vérifié le plus élevé jamais rapporté pour une cellule solaire tandem pérovskite-organique », indique Qingdong Zheng, qui souligne également la tenue dans le temps : non encapsulé, le dispositif conserve 80 % de ses performances initiales après environ 744 heures d’éclairage continu à 1 soleil. Le précédent repère public datait de juin 2025, avec 26,4 % annoncés par le Solar Energy Research Institute of Singapore sur la même configuration.

Ces résultats restent au stade de la cellule de laboratoire : le passage à des modules de grande surface, condition de tout débouché industriel, constitue l’étape suivante — un sujet suivi de près par les organismes de recherche comme le CEA, et dont les records successifs sont recensés par le NREL.

Questions fréquentes

Qu’est-ce qu’une cellule tandem pérovskite-organique ?

C’est un dispositif empilant deux sous-cellules : une cellule pérovskite à large bande interdite, qui capte les photons de haute énergie, et une cellule organique à faible bande interdite placée derrière, qui collecte la lumière jusque dans le proche infrarouge. Les deux sont reliées électriquement par une couche de recombinaison, formant un dispositif monolithique à deux bornes.

Quel rendement a été atteint ?

27,35 % en mesure interne et 26,88 % en valeur certifiée, contre 25,69 % pour un dispositif de référence utilisant un accepteur conventionnel. Il s’agit du rendement certifié le plus élevé publié à ce jour pour cette architecture.

Qu’apporte l’accepteur Zh-F ?

Avec une bande interdite optique de 1,23 eV et un cœur hétéroheptacène fortement donneur d’électrons, Zh-F étend l’absorption vers le proche infrarouge. Il améliore simultanément la capture des photons infrarouges, le transport des charges et la dissociation des excitons, tout en limitant les pertes de tension.

Cette technologie est-elle proche du marché ?

Non. Il s’agit de cellules de laboratoire de petite surface. La stabilité mesurée — 80 % des performances conservées après environ 744 heures sous éclairage continu — reste très éloignée des vingt-cinq ans de garantie usuels dans le photovoltaïque commercial.

En résumé — le verrou traité ici n’est pas la pérovskite elle-même mais la sous-cellule organique placée derrière elle, jusqu’ici bridée par son faible photocourant. En abaissant la bande interdite de l’accepteur à 1,23 eV, les chercheurs de Nankin gagnent près de deux points de rendement et portent le record certifié de la filière à 26,88 %. Reste l’obstacle habituel de ces annonces : la durabilité et le passage à des modules de taille réelle.