Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université de Californie à San Diego a pour la première fois observé des changements à l'échelle nanométrique profondément à l'intérieur de cristaux de pérovskite hybride qui pourraient offrir de nouvelles perspectives sur le développement à faible coût, cellules solaires à haut rendement.

À l'aide de faisceaux de rayons X et de lasers, les chercheurs ont étudié comment une nouvelle classe prometteuse de matériaux de cellules solaires, appelées pérovskites hybrides, se comporte à l'échelle nanométrique pendant le fonctionnement. Leurs expériences ont révélé que lorsque la tension est appliquée, les ions migrent à l'intérieur du matériau, créant des régions qui ne sont plus aussi efficaces pour convertir la lumière en électricité.

"La migration des ions nuit aux performances du matériau absorbant la lumière. La limiter pourrait être une clé pour améliorer la qualité de ces cellules solaires, " a déclaré David Fenning, professeur de nano-ingénierie et membre du Sustainable Power and Energy Center de l'UC San Diego.

L'équipe, dirigé par Fenning, comprend des chercheurs de l'Institut AMOLF aux Pays-Bas et du Laboratoire national d'Argonne. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Matériaux avancés .

Les pérovskites hybrides sont des matériaux cristallins constitués d'un mélange d'ions inorganiques et organiques. Ce sont des matériaux prometteurs pour la fabrication de cellules solaires de nouvelle génération car ils sont peu coûteux à fabriquer et sont considérablement efficaces pour convertir la lumière en électricité.

Cependant, les pérovskites hybrides ne sont pas très stables, ce qui peut les rendre difficiles à étudier. Les techniques microscopiques généralement utilisées pour étudier les cellules solaires finissent souvent par endommager les pérovskites hybrides ou ne peuvent pas imager au-delà de leurs surfaces.

Maintenant, une équipe dirigée par l'UC San Diego a montré qu'en utilisant une technique appelée fluorescence aux rayons X à nanosonde, ils peuvent sonder profondément les matériaux pérovskites hybrides sans les détruire. "C'est une nouvelle fenêtre pour regarder à l'intérieur de ces matériaux et voir précisément ce qui ne va pas, " a déclaré Fenning.

Les chercheurs ont étudié un type de pérovskite hybride appelé bromure de plomb méthylammonium, qui contient des ions brome chargés négativement. Comme les autres pérovskites hybrides, sa structure cristalline contient de nombreuses lacunes, ou des atomes manquants, qui ont été soupçonnés de permettre aux ions de se déplacer facilement dans le matériau lorsqu'une tension est appliquée.

Les chercheurs ont d'abord effectué des mesures de fluorescence des rayons X à la nanosonde sur les cristaux pour créer des cartes à haute résolution des atomes à l'intérieur du matériau. Les cartes ont révélé que lorsque la tension est appliquée, les ions brome migrent des zones chargées négativement vers les zones chargées positivement.

Prochain, les chercheurs ont braqué un laser sur les cristaux pour mesurer une propriété appelée photoluminescence – la capacité du matériau à émettre de la lumière lorsqu'il est excité par un laser – dans différentes zones des cristaux. Un bon matériau de cellule solaire émet très bien la lumière, donc plus la photoluminescence est élevée, plus la cellule solaire doit être efficace. Les zones avec des concentrations de brome plus élevées avaient une photoluminescence jusqu'à 180 pour cent plus élevée que les zones appauvries en ions brome.

"Nous regardons les ions brome migrer en quelques minutes et constatons que les zones riches en brome qui en résultent ont le potentiel de devenir de meilleures cellules solaires tandis que les performances sont dégradées dans les zones pauvres en brome, ", a déclaré Fenning. Fenning et son équipe explorent maintenant des moyens de limiter la migration du brome dans le bromure de plomb de méthylammonium et d'autres pérovskites hybrides. Les chercheurs disent qu'une option potentielle serait de cultiver des cristaux de pérovskite hybride dans différentes conditions pour minimiser le nombre de lacunes et limiter la migration des ions. dans la structure cristalline.