Certains matériaux sont comme les gens. Laissez-les se détendre au soleil pendant un petit moment et ils seront beaucoup plus performants.

Une collaboration menée par l'Université Rice et le Laboratoire national de Los Alamos a révélé que c'était le cas avec un composé de pérovskite présenté comme un matériau efficace pour collecter la lumière du soleil et la convertir en énergie.

Les chercheurs dirigés par Aditya Mohite, un scientifique de Los Alamos qui deviendra bientôt professeur à Rice; Wanyi Nie, également membre du personnel scientifique de Los Alamos, et l'auteur principal et étudiant diplômé de Rice Hsinhan (Dave) Tsai a découvert qu'un éclairage constant détend la tension dans le réseau cristallin de la pérovskite, lui permettant de s'étendre uniformément dans toutes les directions.

L'expansion aligne les plans cristallins du matériau et guérit les défauts dans la masse. Cela réduit à son tour les barrières énergétiques aux contacts, ce qui permet aux électrons de se déplacer plus facilement dans le système et de fournir de l'énergie aux appareils.

Cela améliore non seulement l'efficacité de conversion de puissance de la cellule solaire, mais ne compromet pas non plus sa photostabilité, avec une dégradation négligeable sur plus de 1, 500 heures de fonctionnement sous un seul éclairage solaire continu de 100 milliwatts par centimètre cube.

La recherche, qui paraît cette semaine dans Science , représente une étape importante vers des cellules solaires stables à base de pérovskite pour les technologies solaires à électricité et solaires à combustible de nouvelle génération, selon les chercheurs.

"Les structures cristallines de pérovskite hybrides ont une formule générale de AMX3, où A est un cation, M est un métal divalent et X est un halogénure, " a déclaré Mohite. "C'est un semi-conducteur polaire avec une bande interdite directe similaire à celle de l'arséniure de gallium.

"Cela confère aux pérovskites un coefficient d'absorption qui est presque un ordre de grandeur plus grand que l'arséniure de gallium (un semi-conducteur commun dans les cellules solaires) sur tout le spectre solaire, " a-t-il dit. " Cela implique qu'un film de pérovskites de 300 nanomètres d'épaisseur est suffisant pour absorber toute la lumière solaire incidente. Par contre, le silicium est un matériau à bande interdite indirecte qui nécessite 1, 000 fois plus de matière pour absorber la même quantité de soleil."

Mohite a déclaré que les chercheurs recherchaient depuis longtemps des pérovskites hybrides efficaces qui sont stables à la lumière du soleil et dans des conditions environnementales ambiantes.

« Par ce travail, nous avons fait des progrès significatifs dans la réalisation de ces deux objectifs, ", a-t-il déclaré. "Notre pérovskite à base de triple cation dans un réseau cubique montre une excellente stabilité de température à plus de 100 degrés Celsius (212 degrés Fahrenheit)."

Les chercheurs ont modélisé et fabriqué plus de 30 semi-conducteurs, couches minces à base d'iodure avec des structures de type pérovskite :cubes cristallins avec des atomes disposés en rangées et colonnes régulières. Ils ont mesuré leur capacité à transmettre le courant et ont découvert que lorsqu'ils sont trempés de lumière, la barrière énergétique entre la pérovskite et les électrodes a largement disparu lorsque les liaisons entre les atomes se sont relâchées.

Ils ont été surpris de voir que la barrière est restée éteinte pendant 30 minutes après l'extinction de la lumière. Parce que les films ont été maintenus à une température constante pendant les expériences, les chercheurs ont également pu éliminer la chaleur comme cause possible de l'expansion du réseau.

Les mesures ont montré que le dispositif de pérovskite hybride « champion » a augmenté son efficacité de conversion de puissance de 18,5 % à 20,5 %. En moyenne, toutes les cellules avaient une efficacité augmentée au-dessus de 19 pour cent. Mohite a déclaré que les pérovskites utilisées dans l'étude étaient à 7% de l'efficacité maximale possible pour une cellule solaire à simple jonction.

Il a déclaré que l'efficacité des cellules était presque le double de celle de toutes les autres technologies photovoltaïques traitées en solution et 5 % inférieure à celle des photovoltaïques commerciaux à base de silicium. Ils ont conservé 85 % de leur efficacité maximale après 800 heures de fonctionnement continu au point de puissance maximum, et leur densité de courant n'a montré aucune dégradation photo-induite sur l'ensemble du 1, 500 heures.

"Ce travail accélérera la compréhension scientifique nécessaire pour obtenir des cellules solaires à pérovskite stables, " Mohite a déclaré. "Cela ouvre également de nouvelles directions pour découvrir les phases et les comportements émergents qui découlent de la nature structurelle dynamique, ou douceur, du réseau pérovskite."

Les chercheurs principaux ont indiqué que l'étude va au-delà du photovoltaïque car elle se connecte, pour la première fois, dynamique structurelle déclenchée par la lumière avec des processus de transport électroniques fondamentaux. Ils prévoient que cela conduira à des technologies qui exploitent la lumière, force ou d'autres déclencheurs externes pour adapter les propriétés des matériaux à base de pérovskite.