Des chercheurs de l’université de Zhengzhou, en Chine, ont examiné l’utilisation des zwitterions dans les cellules solaires à pérovskite, concluant que ces molécules électriquement neutres pourraient contribuer à l’efficacité et à la stabilité des dispositifs par plusieurs mécanismes allant au-delà de la passivation conventionnelle des défauts.
Les zwitterions contiennent à la fois des groupes fonctionnels chargés positivement et négativement. Selon les chercheurs, cette structure à double charge leur permet d’interagir avec les défauts, d’influencer la cristallisation et d’ajuster les niveaux d’énergie aux interfaces au sein d’une même unité moléculaire. Leur efficacité dépend de la structure moléculaire, de la méthode d’incorporation et de leur position dans le dispositif.
Dans l’absorbeur à pérovskite, les zwitterions peuvent interagir avec les ions plomb sous-coordonnés, les lacunes d’halogénures et les défauts associés aux cations organiques. Ces interactions peuvent réduire le piégeage des porteurs de charge et la recombinaison non radiative. La revue indique que les composés de type bétaïne ont été largement étudiés, tandis que les zwitterions à base d’acides aminés et d’autres zwitterions fonctionnalisés ont également produit des résultats prometteurs.
Les améliorations de performance rapportées comprennent une hausse du rendement de 10,54 % à 13,31 % dans une cellule à pérovskite à base d’étain utilisant de la L-asparagine. L’acide formamidinesulfinique a permis d’atteindre un rendement de 22,06 % dans un dispositif à large bande interdite. Les zwitterions peuvent également influencer la coordination des précurseurs, la nucléation et la croissance cristalline, contribuant à produire des films plus uniformes, comportant moins de trous et présentant une cristallinité améliorée.
Ces composés pourraient également stabiliser la phase noire photoactive dans les pérovskites à base de césium et de formamidinium. Parmi les autres effets rapportés figurent une réduction de la migration ionique, une meilleure intégrité du réseau cristallin, une suppression de l’oxydation de l’étain et une diminution des contraintes mécaniques résiduelles.
Aux interfaces entre la couche de pérovskite et les couches de transport des électrons ou des trous, les zwitterions peuvent passiver les défauts tout en améliorant l’alignement des niveaux d’énergie. Aux interfaces impliquant l’oxyde d’étain, le dioxyde de titane ou l’oxyde de zinc, leurs dipôles moléculaires peuvent modifier les fonctions travail et réduire les barrières à l’extraction des électrons. La revue mentionne également les zwitterions liquides comme une solution possible aux problèmes de faible solubilité et aux limites de traitement de certains composés solides.
Aux interfaces de transport des trous, les zwitterions peuvent faciliter l’extraction des trous, supprimer la recombinaison de surface et améliorer la stabilité chimique. Un additif rapporté a augmenté le rendement moyen des dispositifs utilisant du PEDOT, de 10,29 % à 14,29 %. Une autre approche fondée sur la L-tryptophane à une interface oxyde de nickel/pérovskite a atteint des rendements de 23,79 % et 20,41 % pour des dispositifs présentant des bandes interdites de 1,56 eV et 1,68 eV, respectivement. Ces dispositifs ont conservé des performances stables pendant plus de 1 600 heures.
Les couches intermédiaires zwitterioniques peuvent également être utilisées au niveau des contacts avec les électrodes. Les dipôles moléculaires peuvent alors ajuster les fonctions travail des métaux, améliorer l’alignement des niveaux d’énergie et favoriser l’extraction des charges. Dans les études examinées, un polymère zwitterionique a augmenté le rendement de 17,31 % à 19,16 %, tandis qu’un composé à base de carboxylate l’a fait passer de 15,08 % à 17,10 %.
Les chercheurs ont en outre souligné le potentiel des zwitterions pour limiter la migration ionique et la corrosion des électrodes, en particulier au niveau des contacts en argent. Il a été rapporté qu’un zwitterion à base de naphtalène-diimide capturait à la fois les ions argent et iodure, contribuant ainsi à supprimer la dégradation de l’interface.
La revue appelle à l’élaboration de cadres de conception et d’évaluation plus clairs, notamment de bases de données combinant des descripteurs moléculaires, des paramètres de traitement et des données de performance des dispositifs. Les chercheurs suggèrent que l’apprentissage supervisé pourrait contribuer à identifier les zwitterions adaptés à des couches fonctionnelles spécifiques, tandis que les modèles génératifs pourraient proposer de nouvelles structures moléculaires.
L’article, intitulé « Research progress of zwitterions in perovskite solar cells », a été publié dans Sustainable Chemistry for Energy Materials.
Sources: pv magazine.