Chengdu, Chine – 20 octobre 2025– Dans le cadre d'une réalisation historique pour les énergies renouvelables, des chercheurs de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine (UESTC) ont développé une cellule solaire à pérovskite qui a atteint un rendement de conversion d'énergie certifié de 25,13 %. Cette percée a été réalisée en incorporant du carbure de titane bidimensionnel-, connu sous le nom de MXène, comme additif multifonctionnel dans la couche absorbant la lumière de pérovskite-. Cette innovation représente une avancée significative non seulement dans l’amélioration des performances, mais également dans la résolution des défis critiques de stabilité et de gestion thermique qui ont historiquement entravé le déploiement commercial du photovoltaïque à base de pérovskite.
La nouvelle structure cellulaire, détaillée dans l'étude « Multifonctionnel MXene for Thermal Management in Perovskite Solar Cells » publiée dansMacro-Microlettres, comprend un substrat de verre et d'oxyde d'étain et d'indium (ITO), une couche de transport d'électrons en oxyde d'étain (SnO₂), l'absorbeur de pérovskite modifié au MXène-, une couche de transport de trous utilisant Spiro-OMeTAD et un contact en métal doré.
Le cœur de cette avancée réside dans les propriétés uniques du MXene. Ces composés, nommés pour leur structure semblable au graphène-, sont connus pour leur conductivité métallique exceptionnelle, leur mobilité élevée des porteurs de charge et leurs propriétés de surface accordables. Lorsque des nanofeuilles Ti₃C₂Tₓ MXene sont intégrées dans la couche de pérovskite, elles agissent comme un composant polyvalent qui améliore simultanément la dissipation thermique et les performances optoélectroniques.
« La communauté de recherche sur l'énergie solaire est à la recherche d'un matériau capable simultanément d'optimiser l'extraction de charge, d'améliorer la stabilité et d'être traité facilement. Les avantages multifonctionnels de MXene mettent en évidence son grand potentiel pour la construction de cellules solaires à pérovskite avec non seulement une efficacité de conversion de puissance élevée, mais également une excellente stabilité thermique », a déclaré l'équipe de recherche.
L'une des fonctions les plus critiques de l'additif MXene est son rôle dans la gestion thermique. Sous une lumière solaire continue, l’accumulation de chaleur dans les cellules solaires est une cause majeure de dégradation des performances. L'équipe de recherche a démontré que l'incorporation de nanofeuilles de Ti₃C₂Tₓ créait des voies de conduction thermique efficaces au sein du film de pérovskite. Ceci a augmenté la conductivité thermique de la couche de 0,236 W.m⁻¹.K⁻¹ à 0,413 W.m⁻¹.K⁻¹. Par conséquent, la température de fonctionnement de la cellule solaire dans des conditions d'éclairage standard a été réduite d'environ 3 degrés, passant de 42,96 degrés à 39,97 degrés, atténuant considérablement la dégradation induite par la chaleur.
Au-delà de la gestion thermique, les nanofeuilles MXene offrent de nombreux autres avantages. Ils ont servi de passivateurs de défauts efficaces aux joints de grains des cristaux de pérovskite, réduisant ainsi les pertes par recombinaison de charges. Cela a conduit à un film de pérovskite plus uniforme et plus lisse avec une granulométrie plus grande, comme le confirme une réduction de la rugosité du film de 24,9 nm à 15,2 nm. De plus, le film de pérovskite modifié présentait une absorption lumineuse plus forte dans la région visible.
L'effet combiné de ces améliorations a permis d'enregistrer des performances-record. L'appareil champion a atteint un rendement de conversion de puissance de 25,13 %, une augmentation substantielle par rapport au rendement de 23,70 % de la cellule de référence sans MXene. Il a également montré des caractéristiques électriques supérieures, avec une tension en circuit ouvert-de 1,177 V, une densité de courant de court-de 25,29 mA cm⁻² et un facteur de remplissage de 84,4 %.
L’amélioration marquée de la stabilité de l’appareil est peut-être aussi importante que l’augmentation de l’efficacité. La cellule à base de MXène-a conservé environ 80 % de son efficacité initiale après 500 heures d'exposition à des conditions de température élevée-de 85 degrés et une humidité relative d'environ 30-35 %. Lors d'un test de stabilité réalisé sous atmosphère d'azote avec suivi du point de puissance maximal, l'appareil a conservé 70 % de son efficacité initiale après 500 heures, surpassant considérablement la cellule témoin, qui s'est dégradée à 20 % de ses performances d'origine. Cette stabilité robuste est un indicateur critique du potentiel de la technologie pour un fonctionnement à long terme.
Malgré les résultats prometteurs, l'équipe de recherche a reconnu que des défis subsistent sur la voie de la commercialisation, principalement liés au coût élevé et à la complexité de la synthèse des matériaux Ti₃C₂Tₓ. Les recherches futures se concentreront sur l’optimisation des voies de synthèse afin de réduire les coûts et d’améliorer la reproductibilité. L'exploration de matériaux alternatifs au MXène, tels que le Ti₂CTₓ, constitue également une orientation clé pour les travaux futurs .
Cette percée, réalisée grâce à l'intégration stratégique de MXene, illumine un avenir plus brillant et plus efficace pour l'énergie solaire. Cela rapproche considérablement le jour où le photovoltaïque à base de pérovskite hautes-performances, durables et-rentables deviendra une source courante d'énergie propre.
Concernant l’Université des Sciences et Technologies Electroniques de Chine (UESTC) :
L'Université des sciences et technologies électroniques de Chine est une université nationale-de longue date, réputée pour ses programmes de recherche axés sur les sciences électroniques et de l'information, les sciences des matériaux et les technologies énergétiques.
