Un photoeffet jusqu'alors inconnu :dans certains matériaux, comme dans la pérovskite méthylammonium iodure de plomb (MAPI), Les ions contribuent très fortement à la conductivité induite par la lumière. Comme d'habitude dans les cellules solaires, la lumière libère initialement des électrons. Les trous chargés positivement restants neutralisent les ions iodure chargés négativement dans le cristal. Parce qu'un atome d'iode non chargé est plus petit qu'un ion iodure, il occupe un espace interstitiel, dans lequel l'ion iodure ne rentre pas. Les espaces qui en résultent dans le réseau cristallin permettent la conduction ionique de la même manière que les trous électroniques permettent la conduction électronique. Crédit :Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide
La lumière rend certains matériaux conducteurs d'une manière auparavant imprévue. Dans les cellules solaires au silicium, les électrons circulent lorsque le soleil brille. Cependant, des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide de Stuttgart ont maintenant trouvé une surprise :dans une pérovskite spéciale, un autre matériau utilisé pour les cellules solaires, la lumière libère non seulement des électrons, mais aussi des atomes chargés électriquement, connu sous le nom d'ions. De plus, ce nouvel effet photo est extrêmement grand. La conductivité ionique a été multipliée par cent. Pour les cellules solaires fabriquées à partir du matériau étudié ici, la conductivité ionique élevée induite par la lumière est plutôt dommageable; les conséquences, cependant, peut maintenant être spécifiquement contrecarré. Du point de vue des chercheurs de Stuttgart, l'effet est révolutionnaire en soi, comme ça fait du roman, applications électrochimiques contrôlées par la lumière envisageables, comme les batteries directement chargées par la lumière.
En matière d'efficacité, les cellules solaires au silicium établissent des normes. Mais surtout pour les éléments photovoltaïques aux rendements particulièrement élevés, la production de silicium est à la fois complexe et coûteuse. Matériaux appelés pérovskites, en raison de leur structure, pourrait offrir une alternative moins chère ici. Une équipe de scientifiques dirigée par Joachim Maier, Directeur à l'Institut Max Planck de recherche sur l'état solide, ont maintenant examiné comment la lumière influence le transport de l'électricité dans ces matériaux à base de l'iodure de plomb pérovskite méthylammonium (MAPI). Leur intérêt pour ces matériaux a été éveillé lors d'une collaboration avec Michael Grätzel, qui mène des recherches à l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et est un membre scientifique externe de l'Institut Max Planck de Stuttgart.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont maintenant observé que les ions, c'est-à-dire des atomes chargés, contribuent à la conductivité à un degré étonnamment élevé lorsque le matériau est éclairé. Dans les cellules solaires à pérovskite, l'effet peut entraîner des altérations structurelles et nuire à l'efficacité. "Toutefois, nos découvertes peuvent aider à prévenir de tels processus de vieillissement, " dit Joachim Maier. Pour le chimiste, cependant, le phénomène en tant que tel est le plus excitant principalement parce qu'il crée la possibilité fondamentale de libérer des ions mobiles à l'aide de la lumière, à savoir les porteurs de charge qui transportent l'électricité dans des applications électrochimiques telles que les batteries, piles à combustible ou capteurs et commutateurs électrochimiques.
L'influence de la lumière sur le transport des ions n'a été démontrée qu'en biologie :l'éclairage est capable de modifier indirectement la perméabilité d'une membrane cellulaire. "Très surprenant, cependant, est le fait que la conduction ionique des solides cristallins peut être directement modifiée et dans quelle mesure cela est possible, " explique Joachim Maier. Son équipe a observé comment le nombre d'ions iodures libres était multiplié par cent. La conduction ionique est ainsi augmentée dans une mesure similaire à celle connue pour la conductivité électronique induite par la lumière.
Les chercheurs de Stuttgart n'ont pas seulement démontré le phénomène expérimentalement. Ils peuvent aussi l'expliquer. Selon eux, la lumière libère d'abord des électrons, comme d'habitude dans les cellules solaires. Les électrons chargés négativement laissent des trous chargés positivement dans le réseau cristallin, comme diraient les physiciens. Ceux-ci neutralisent les ions iodure autrement chargés négativement dans le cristal. Parce qu'un atome d'iode non chargé est beaucoup plus petit qu'un ion iodure, il occupe un espace dit interstitiel, C'est, un espace libre dans le réseau cristallin dans lequel le plus gros ion iodure ne rentre pas. Les espaces qui en résultent dans le réseau cristallin permettent la conduction ionique de la même manière que les trous électroniques permettent la conduction électronique. "Ceci est crucial pour cet effet, c'est qu'il existe un mécanisme qui traduit les trous créés par la lumière directement en conductivité ionique, " dit Joachim Maier.
Les chercheurs ont utilisé diverses méthodes pour prouver l'effet hors de tout doute. Dans une première expérience, ils ont utilisé des contacts électriques pour MAPI qui bloquaient les ions, C'est, ils ne laissaient passer que les électrons. Ils ont utilisé un courant spécifique et mesuré la tension. Si des ions sont impliqués dans le flux de courant, la tension devrait augmenter après un court laps de temps, car ils ne peuvent bouger qu'au début, mais sont alors bloqués par les contacts. C'est exactement ce que les chercheurs de Stuttgart ont observé.
Une preuve évidente de conduction ionique a également été fournie par la tension mesurée dans un circuit ouvert, qui a été généré par les chercheurs utilisant la pérovskite comme phase électrolytique d'une cellule de batterie illuminée :si les électrons dans le matériau transportaient principalement du courant, un court-circuit se produirait, et aucune tension ne serait produite. Cependant, l'utilisation d'un matériau conducteur ionique comme électrolyte, la tension de batterie anticipée peut être mesurée.
Les chercheurs ont directement démontré le transport de l'iode dans deux autres expériences. Ils ont exposé un côté de la pérovskite à l'iode gazeux. Ils ont attaché un film de cuivre de l'autre côté, qui agit comme un puits d'iode en raison de sa propension à réagir pour former de l'iodure de cuivre. Sous l'éclairage, ce processus s'est déroulé à très grande vitesse. Le transport de l'iode dans l'échantillon de pérovskite a également été démontré par une expérience dans laquelle le toluène a agi comme un puits externe pour l'élément. Les chercheurs ont démontré par spectroscopie que la concentration d'iode dans le toluène augmentait dès que la pérovskite était illuminée.
Le mécanisme observé par les scientifiques de Stuttgart est réversible, souligne Maier. Il ne détruit pas le matériel. Ce n'est que lorsque le matériau pérovskite est en contact avec une substance qui lie l'iode en permanence, ou lorsque l'iode s'échappe dans l'atmosphère, le matériau se dégrade-t-il avec le temps.
Dans le futur proche, les chercheurs n'entendent pas se contenter de comprendre les mécanismes de dégradation et in fine de les prévenir. Ce qui est plus important, selon Joachim Maier, est d'étudier l'effet lui-même, car il représente une nouveauté dans la recherche sur l'état solide. "Nous examinerons d'autres matériaux pour voir si des phénomènes similaires se produisent, " précise Joachim Maier. Les chercheurs se penchent également sur la question de savoir comment cet effet peut être exploité techniquement. Pour ce faire, ils développeront d'abord des idées, comme vers l'utilisation du stockage stimulé par la lumière, puis recherchez des matériaux appropriés pour de telles applications. « La conductivité ionique représente un phénomène clé dans un contexte de recherche énergétique, ", dit Joachim Maier. "Mais à bien des égards - surtout en ce qui concerne l'exposition à la lumière - cela reste terra incognita. " Les chercheurs de Max Planck à Stuttgart ont l'intention de changer cela.