Regard intérieur sur la technique RIR-MAPLE qui a la capacité de construire une nouvelle technologie de cristal de cellule solaire. Le cercle blanc au centre de la table est une solution congelée contenant les éléments constitutifs moléculaires du matériau de la cellule solaire, qui est soufflé par des lasers, vaporiser la solution qui transporte les matériaux pour enrober le fond de la cible ci-dessus. Crédit :E. Tomas Barraza
Les scientifiques des matériaux de l'Université Duke ont développé une méthode pour créer des matériaux hybrides à couche mince qui seraient autrement difficiles ou impossibles à fabriquer. La technique pourrait être la porte d'entrée vers de nouvelles générations de cellules solaires, diodes électroluminescentes et photodétecteurs.
L'équipe de recherche a décrit ses méthodes le 22 décembre 2017 dans la revue Lettres énergétiques ACS .
Les pérovskites sont une classe de matériaux qui, avec la bonne combinaison d'éléments, ont une structure cristalline qui les rend particulièrement bien adaptés aux applications basées sur la lumière. Leur capacité à absorber la lumière et à transférer efficacement son énergie en fait une cible commune pour les chercheurs développant de nouveaux types de cellules solaires, par exemple.
La pérovskite la plus couramment utilisée dans l'énergie solaire aujourd'hui, iodure de plomb méthylammonium (MAPbI3), peut convertir la lumière en énergie aussi bien que les meilleurs panneaux solaires actuellement disponibles dans le commerce. Et il peut le faire en utilisant une fraction du matériau, un ruban 100 fois plus fin qu'une cellule solaire typique à base de silicium.
L'iodure de plomb méthylammonium est l'une des rares pérovskites pouvant être créées à l'aide des techniques de production standard de l'industrie, bien qu'il ait encore des problèmes d'évolutivité et de durabilité. Pour vraiment libérer le potentiel des pérovskites, cependant, de nouvelles méthodes de fabrication sont nécessaires car le mélange de molécules organiques et inorganiques dans une structure cristalline complexe peut être difficile à réaliser. Les éléments organiques sont particulièrement délicats, mais sont essentiels à la capacité du matériau hybride à absorber et à émettre efficacement la lumière.
Regardez de plus près la cible de la solution congelée qui contient les éléments constitutifs du matériau des cellules solaires. Crédit :E. Tomas Barraza
"L'iodure de plomb méthylammonium a un composant organique très simple, est pourtant un absorbeur de lumière très performant, " a déclaré David Mitzi, le professeur Simon Family de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Si nous pouvons trouver une nouvelle approche de fabrication qui peut construire des combinaisons moléculaires plus complexes, cela ouvrira de nouveaux domaines de la chimie pour les matériaux multifonctionnels."
Dans la nouvelle étude, Mitzi fait équipe avec sa collègue Adrienne Stiff-Roberts, professeur agrégé de génie électrique et informatique à Duke, pour démontrer une telle approche de fabrication. La technique est appelée évaporation laser pulsée assistée par matrice infrarouge résonante, ou RIR-MAPLE pour faire court, et a été développé par Stiff-Roberts chez Duke au cours de la dernière décennie.
Adapté d'une technologie inventée en 1999 appelée MAPLE, la technique consiste à congeler une solution contenant les éléments constitutifs moléculaires de la pérovskite, puis dynamitage du bloc congelé avec un laser dans une chambre à vide.
Lorsqu'un laser vaporise un petit morceau de la cible gelée de la taille d'une fossette sur une balle de golf, la vapeur se déplace vers le haut dans un panache qui recouvre la surface inférieure de tout objet suspendu au-dessus, comme un composant dans une cellule solaire. Une fois que suffisamment de matériau s'accumule, le processus est arrêté et le produit est chauffé pour cristalliser les molécules et mettre en place le film mince.
Dans la version de Stiff-Roberts de la technologie, la fréquence du laser est spécifiquement adaptée aux liaisons moléculaires du solvant congelé. Cela fait que le solvant absorbe la plus grande partie de l'énergie, laissant les matières organiques délicates indemnes lorsqu'elles se déplacent vers la surface du produit.
Vue à l'intérieur de la chambre RIR-MAPLE après la fin du processus de dépôt de couche mince. Aucune de la solution congelée d'origine n'est laissée au centre, car tout a été vaporisé pour recouvrir le bas de la cible suspendue au-dessus. Crédit :E. Tomas Barraza
« La technologie RIR-MAPLE est extrêmement douce sur les composants organiques du matériau, bien plus que d'autres techniques à base de laser, " a déclaré Stiff-Roberts. " Cela le rend aussi beaucoup plus efficace, ne nécessitant qu'une petite fraction des matières organiques pour atteindre le même produit final."
Bien qu'aucune cellule solaire à base de pérovskite ne soit encore disponible sur le marché, il existe quelques entreprises qui travaillent à la commercialisation de l'iodure de plomb méthylammonium et d'autres matériaux étroitement liés. Et tandis que les matériaux fabriqués dans cette étude ont des efficacités de cellules solaires meilleures que celles fabriquées avec d'autres technologies à base de laser, ils n'atteignent pas encore ceux créés avec des processus traditionnels basés sur des solutions.
Mais Mitzi et Stiff-Roberts disent que ce n'est pas leur objectif.
« Alors que les techniques basées sur des solutions peuvent également être douces pour les matières organiques et peuvent produire d'excellents matériaux photovoltaïques hybrides, ils ne peuvent pas être utilisés pour des molécules organiques plus complexes et peu solubles, " dit Stiff-Roberts.
« Avec cette démonstration de la technologie RIR-MAPLE, nous espérons ouvrir un tout nouveau monde de matériaux à l'industrie des cellules solaires, " a poursuivi Mitzi. " Nous pensons également que ces matériaux pourraient être utiles pour d'autres applications, comme les diodes électroluminescentes, photodétecteurs et détecteurs de rayons X."
