Les scientifiques ont acquis de nouvelles connaissances sur un mystère fondamental concernant les pérovskites hybrides, matériaux à faible coût qui pourraient améliorer ou même remplacer les cellules solaires conventionnelles en silicium.

Sous un microscope, une tranche de pérovskite ressemble à une mosaïque abstraite de grains de cristal aléatoires. Le mystère est de savoir comment ce patchwork de minuscules, les grains imparfaits peuvent transformer la lumière du soleil en électricité aussi efficacement qu'un monocristal de silicium pur.

Une étude récente menée par des scientifiques de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie offre de nouveaux indices. Écrivant dans le numéro du 15 mars de Matériaux avancés , les scientifiques apportent une nouvelle compréhension de la façon dont les charges électriques se séparent dans les pérovskites quelques milliardièmes de seconde suite à l'absorption de la lumière, la première étape cruciale dans la génération d'un courant électrique.

L'étude est la première à sonder le fonctionnement interne des pérovskites hybrides à l'échelle atomique en utilisant des impulsions laser qui correspondent à l'intensité du rayonnement solaire, et ainsi imiter la lumière naturelle du soleil. Les auteurs affirment que leur découverte pourrait conduire à des améliorations des performances des cellules solaires à pérovskite et à une nouvelle façon de sonder leur fonctionnalité.

Pérovskites et Silicium

La plupart des cellules solaires d'aujourd'hui sont constituées de silicium purifié fabriqué à des températures supérieures à 3, 000 degrés Fahrenheit (1, 600 degrés Celsius). Ces panneaux rigides en silicone peuvent durer des décennies dans toutes sortes de conditions météorologiques.

Cellules solaires pérovskites, bien que beaucoup moins durable, sont plus minces et plus flexibles que les cellules au silicium et peuvent être produites près de la température ambiante à partir d'un mélange hybride de matériaux organiques et inorganiques bon marché, comme l'iode, plomb et méthylammonium.

Des chercheurs, dont le co-auteur de Stanford Michael McGehee, ont montré que les cellules solaires à pérovskite sont aussi efficaces pour convertir la lumière en électricité que les cellules au silicium disponibles dans le commerce et peuvent même les surpasser. Cette combinaison d'efficacité, la flexibilité et la synthèse facile ont alimenté une course mondiale pour développer des pérovskites de qualité commerciale qui peuvent résister à une exposition à long terme à la chaleur et aux précipitations.

« Les pérovskites sont des matériaux très prometteurs pour le photovoltaïque, " a déclaré l'auteur principal Burak Guzelturk, chercheur postdoctoral à Stanford et au SLAC. "Mais les gens se demandent comment ils peuvent atteindre des rendements aussi élevés."

Électrons et trous

Toutes les cellules solaires fonctionnent sur le même principe. Les photons de la lumière solaire absorbés par le matériau cristallin envoient des électrons chargés négativement dans un état excité. Les électrons libérés laissent derrière eux des espaces chargés positivement ou des « trous » qui se séparent les uns des autres. Cette séparation donne naissance à un courant électrique.

Silicium pur, avec sa structure atomique très ordonnée, fournit un chemin direct aux électrons et aux trous pour traverser la cellule solaire. Mais avec les pérovskites, la route est loin d'être lisse.

"Les pérovskites sont généralement remplies de défauts, " a déclaré le co-auteur Aaron Lindenberg, professeur agrégé au SLAC et à Stanford et chercheur au Stanford Institute of Materials and Energy Sciences (SIMES). "Ils ne sont même pas près d'être des cristaux parfaits, pourtant, d'une manière ou d'une autre, les courants électriques ne voient pas les défauts."

Émission térahertz

Pour l'étude, l'équipe de recherche a utilisé des impulsions laser pour simuler des ondes de lumière solaire provenant des deux extrémités du spectre de la lumière visible – la lumière violette à haute énergie et la lumière infrarouge à faible énergie. Les résultats ont été mesurés à l'échelle de temps de la picoseconde. Une picoseconde correspond à un billionième de seconde.

"Dans les premières picosecondes après que la lumière du soleil frappe la pérovskite, les électrons et les trous du réseau cristallin commencent à se séparer, " Lindenberg a expliqué. " La séparation a été découverte en mesurant l'émission d'impulsions lumineuses térahertz à haute fréquence oscillant un billion de fois par seconde à partir du film mince de pérovskite. C'est la première fois que quelqu'un observe une émission térahertz de pérovskites hybrides."

L'émission térahertz a également révélé que les électrons et les trous interagissent étroitement avec les vibrations du réseau dans le matériau cristallin. Cette interaction, qui se produit sur une échelle de temps femtoseconde, pourrait aider à expliquer comment les courants électriques naviguent à travers le patchwork de grains cristallins dans les pérovskites hybrides.

"Comme les charges électriques se séparent, nous observons un pic aigu dans l'émission térahertz, faire correspondre un mode vibrationnel du matériau, " a déclaré Guzelturk. "Cela nous donne une preuve claire que les électrons et les trous se couplent fortement avec les vibrations atomiques dans le matériau."

Cette découverte soulève la possibilité que le couplage à la vibration du réseau pourrait protéger les électrons et les trous des défauts chargés dans la pérovskite, protégeant le courant électrique lorsqu'il traverse la cellule solaire. Des scénarios similaires ont été proposés par d'autres équipes de recherche.

"C'est l'une des premières observations de la façon dont la structure atomique locale d'un matériau de pérovskite hybride réagit dans les premiers billions de seconde après avoir absorbé la lumière du soleil, " a déclaré Lindenberg. "Notre technique pourrait ouvrir une nouvelle façon de sonder une cellule solaire juste lorsque le photon est absorbé, ce qui est vraiment important si vous voulez comprendre et construire de meilleurs matériaux. La manière conventionnelle est de mettre des électrodes sur l'appareil et de mesurer le courant, mais cela brouille essentiellement tous les processus microscopiques qui sont essentiels. Notre tout optique, L'approche sans électrode avec une résolution temporelle femtoseconde évite ce problème."

Électrons chauds

Les chercheurs ont également découvert que les champs lumineux térahertz sont beaucoup plus forts lorsque la pérovskite est frappée par des ondes lumineuses à haute énergie.

"Nous avons découvert que la lumière térahertz rayonnée est d'un ordre de grandeur plus intense lorsque vous excitez les électrons avec de la lumière violette par rapport à une lumière infrarouge à faible énergie, " Lindenberg a déclaré. "C'était un résultat inattendu."

Cette découverte pourrait fournir de nouvelles informations sur les électrons « chauds » à haute énergie, dit Guzelturk.

"La lumière violette donne aux électrons une énergie cinétique en excès, créant des électrons chauds qui se déplacent beaucoup plus rapidement que les autres électrons, " dit-il. " Cependant, ces électrons chauds perdent très rapidement leur excès d'énergie."

L'exploitation de l'énergie des électrons chauds pourrait conduire à une nouvelle génération de cellules solaires à haut rendement, ajouta Lindenberg.

"L'un des grands défis est de trouver un moyen de capturer l'excès d'énergie d'un électron chaud avant qu'il ne se détende, " dit-il. " L'idée est que si vous pouviez extraire le courant associé aux électrons chauds avant que l'énergie ne se dissipe, vous pourriez augmenter l'efficacité de la cellule solaire. Les gens ont soutenu qu'il est possible de créer des électrons chauds dans les pérovskites qui vivent beaucoup plus longtemps que dans le silicium. Cela fait partie de l'excitation autour des pérovskites."

L'étude a révélé que dans les pérovskites hybrides, les électrons chauds se séparent des trous plus rapidement et plus efficacement que les électrons excités par la lumière infrarouge.

"Pour la première fois, nous pouvons mesurer à quelle vitesse cette séparation se produit, " a déclaré Lindenberg. " Cela fournira de nouvelles informations importantes sur la façon de concevoir des cellules solaires qui utilisent des électrons chauds. "

Toxicité et stabilité

La capacité de mesurer les émissions térahertz pourrait également conduire à de nouvelles recherches sur des alternatives non toxiques aux pérovskites conventionnelles à base de plomb, dit Guzelturk.

"La plupart des matériaux alternatifs envisagés ne sont pas aussi efficaces pour générer de l'électricité que le plomb, ", a-t-il déclaré. "Nos résultats pourraient nous permettre de comprendre pourquoi la composition du plomb fonctionne si bien alors que d'autres matériaux ne le font pas, et d'étudier la dégradation de ces dispositifs en examinant directement la structure atomique et son évolution."