Dans les années récentes, les pérovskites ont pris d'assaut l'industrie des cellules solaires. Ils ne coûtent pas cher, facile à produire et très flexible dans leurs applications. Leur efficacité à convertir la lumière en électricité a augmenté plus rapidement que celle de tout autre matériau - de moins de quatre pour cent en 2009 à plus de 20 pour cent en 2017 - et certains experts pensent que les pérovskites pourraient éventuellement surpasser le matériau de cellule solaire le plus courant, silicium. Mais malgré leur popularité, les chercheurs ne savent pas pourquoi les pérovskites sont si efficaces.

Maintenant, des expériences avec une puissante "caméra à électrons" au laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie ont découvert que la lumière fait tourbillonner les atomes dans les pérovskites, expliquant potentiellement le rendement élevé de ces matériaux de cellules solaires de nouvelle génération et fournissant des indices pour en fabriquer de meilleurs.

"Nous avons fait un pas vers la résolution du mystère, " a déclaré Aaron Lindenberg du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) et du Stanford PULSE Institute for ultrafast science, qui sont exploités conjointement par l'Université de Stanford et le SLAC. "Nous avons enregistré des films qui montrent que certains atomes d'une pérovskite réagissent à la lumière en quelques billions de seconde d'une manière très inhabituelle. Cela peut faciliter le transport de charges électriques à travers le matériau et augmenter son efficacité."

L'étude a été publiée aujourd'hui dans Avancées scientifiques .

La lumière met la structure atomique en mouvement

Lorsque la lumière éclaire un matériau de cellule solaire, son énergie déplace certains des électrons chargés négativement du matériau. Cela laisse des "trous d'électrons" avec une charge positive là où les électrons se trouvaient à l'origine. Les électrons et les trous migrent vers les côtés opposés du matériau, créer une tension qui peut être utilisée pour alimenter des appareils électriques.

L'efficacité d'une cellule solaire dépend de la liberté avec laquelle les électrons et les trous peuvent se déplacer dans le matériau. leur mobilité, à son tour, dépend de la structure atomique du matériau. Dans les cellules solaires au silicium, par exemple, les atomes de silicium s'alignent de façon très ordonnée à l'intérieur des cristaux, et même les plus petits défauts structurels réduisent la capacité du matériau à récolter efficacement la lumière.

Par conséquent, les cristaux de silicium doivent être cultivés dans des matériaux coûteux, procédures en plusieurs étapes dans des conditions extrêmement propres. En revanche, "Les pérovskites sont facilement produites en mélangeant des produits chimiques dans un solvant, qui s'évapore pour laisser un film très fin de matériau pérovskite, " a déclaré Xiaoxi Wu, l'auteur principal de l'étude du SIMES au SLAC. "Un traitement plus simple signifie des coûts inférieurs. Contrairement aux cellules solaires au silicium, Les films minces de pérovskite sont également légers et flexibles et peuvent être facilement appliqués sur pratiquement n'importe quelle surface."

Mais qu'en est-il exactement des pérovskites qui permettent à certaines d'entre elles de capter la lumière de manière très efficace ? Les scientifiques pensent que l'une des clés est la façon dont leurs atomes se déplacent en réponse à la lumière.

Pour en savoir plus, Wu et ses collègues ont étudié ces mouvements dans un matériau prototype fait d'iode, plomb et une molécule organique appelée méthylammonium. Les atomes d'iode sont disposés en octoèdres - des structures à huit côtés qui ressemblent à deux pyramides jointes à leurs bases. Les atomes de plomb se trouvent à l'intérieur des octoèdres et les molécules de méthylammonium se trouvent entre les octoèdres (voir le schéma ci-dessous). Cette architecture est commune à de nombreuses pérovskites étudiées pour les applications de cellules solaires.

"Les études précédentes ont principalement exploré le rôle des ions méthylammonium et de leurs mouvements dans le transport de la charge électrique à travers le matériau, " dit Wu. " Cependant, nous avons découvert que la lumière provoque d'importantes déformations dans le réseau d'atomes de plomb et d'iode qui pourraient être cruciales pour l'efficacité des pérovskites."

Des distorsions inhabituelles peuvent améliorer l'efficacité

Dans la zone d'essai de structure d'accélérateur (ASTA) du SLAC, les chercheurs ont d'abord frappé un film de pérovskite, moins de deux millionièmes de pouce d'épaisseur, avec une impulsion laser de 40 femtosecondes. Une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde. Pour déterminer la réponse atomique, ils ont envoyé une impulsion de 300 femtosecondes d'électrons hautement énergétiques à travers le matériau et ont observé comment les électrons étaient déviés dans le film. Cette technique, appelé diffraction ultrarapide des électrons (UED), leur a permis de reconstruire la structure atomique.

"En répétant l'expérience avec des délais différents entre les deux impulsions, nous avons obtenu un film en stop-motion des mouvements des atomes de plomb et d'iode après l'impact lumineux, " a déclaré le co-auteur Xijie Wang, Le scientifique principal du SLAC pour l'UED. "La méthode est similaire à la prise d'une série de clichés radiographiques ultrarapides, mais les électrons nous donnent des signaux beaucoup plus forts pour les échantillons minces et sont moins destructeurs."

L'équipe s'attendait à ce que l'impulsion lumineuse affecte les atomes de manière uniforme dans toutes les directions, les obligeant à se déplacer autour de leurs positions d'origine.

"Mais ce n'est pas ce qui s'est passé, " Lindenberg a déclaré. " Dans les 10 billions de seconde après l'impulsion laser, les atomes d'iode tournaient autour de chaque atome de plomb comme s'ils se déplaçaient à la surface d'une sphère avec l'atome de plomb au centre, passer chaque octaèdre d'une forme régulière à une forme déformée."

Les déformations surprenantes étaient de longue durée et étonnamment grandes, de taille similaire à celles observées dans les cristaux en fusion.

"Cette motion pourrait modifier la façon dont les charges se déplacent, " Wu a déclaré. " Cette réponse à la lumière pourrait améliorer l'efficacité, par exemple en permettant aux charges électriques de migrer à travers les défauts et en les protégeant contre le piégeage dans le matériau. »

« Les résultats du groupe de Lindenberg fournissent des informations fascinantes pour la première fois sur les propriétés des pérovskites hybrides en utilisant la diffraction électronique ultrarapide comme outil unique, " selon Félix Deschler, un expert dans le domaine de la physique induite par la lumière des nouveaux matériaux et un chercheur au Cavendish Lab de l'Université de Cambridge.

« La connaissance du mouvement atomique détaillé après la photoexcitation fournit de nouvelles informations sur leurs performances et peut fournir de nouvelles directives pour le développement de matériaux. »