En utilisant des techniques d'imagerie infrarouge ultrarapide (en bas à gauche), une équipe de chercheurs de Penn State a révélé que les propriétés électroniques remarquables des propriétés des matériaux photovoltaïques à base de pérovskite aux halogénures découlent du mouvement à grande échelle des atomes (en bas à droite) dans leur réseau cristallin (en haut). Crédit :Asbury Lab, État de Pennsylvanie
De nouvelles connaissances sur la façon dont une certaine classe de matériaux photovoltaïques permet une conversion efficace de la lumière solaire en électricité pourraient permettre à ces matériaux de remplacer les cellules solaires traditionnelles au silicium. Une étude menée par des chercheurs de Penn State révèle les propriétés uniques de ces pérovskites aux halogénures peu coûteux et rapides à produire, informations qui guideront le développement des cellules solaires de la prochaine génération. L'étude paraît le 27 septembre dans la revue Chimie .
« Depuis le développement des cellules solaires au silicium, que l'on trouve aujourd'hui sur les toits et au bord des routes, les chercheurs ont recherché de nouveaux types de matériaux photovoltaïques plus faciles à transformer en cellules solaires, " dit John Asbury, professeur agrégé de chimie à Penn State et auteur principal de l'étude. "C'est parce que la construction de cellules solaires au silicium est complexe et difficile à mettre à l'échelle jusqu'au niveau qui leur serait nécessaire pour générer même 10 % de notre demande totale d'électricité."
En raison de ces complications, les chercheurs ont recherché des alternatives moins chères aux cellules solaires au silicium qui peuvent être traitées plus rapidement. Ils s'intéressent particulièrement aux matériaux qui peuvent être transformés en utilisant une technique appelée fabrication rouleau à rouleau, une technique similaire à celles utilisées pour imprimer des journaux qui permet à faible coût, production en grand volume. Ces matériaux doivent être traités à partir d'une solution, comme de l'encre imprimée sur une page.
"Après quarante ans de recherche intense pour de tels matériaux, rien ne s'est rapproché du silicium, à l'exception d'une classe passionnante de matériaux appelés pérovskites aux halogénures, " a déclaré Asbury. " Les pérovskites aux halogénures semblent avoir une tolérance unique pour les imperfections de leurs structures qui leur permettent de convertir efficacement la lumière du soleil en électricité alors que d'autres matériaux présentant des imperfections similaires ne le font pas. "
Qu'est-ce qui rend les pérovskites aux halogénures si tolérantes aux imperfections, cependant, était inconnue avant cette étude. Les chercheurs ont utilisé la technologie d'imagerie infrarouge ultrarapide pour étudier comment la structure et la composition de ces matériaux influencent leur capacité à convertir la lumière du soleil en électricité.
Les chercheurs ont déterminé que les pérovskites aux halogénures ont une capacité unique à maintenir leur structure cristalline même lorsque les atomes de leurs cristaux subissent un mouvement vibratoire exceptionnellement à grande échelle. Tous les matériaux subissent un mouvement vibratoire de leurs atomes, ce qui est généralement supprimé en rendant les cristaux des matériaux très durs, comme le silicium, de sorte que leurs atomes soient maintenus en place de manière rigide. Mais, selon l'étude en cours, les pérovskites aux halogénures sont très douces, ce qui permet à leurs atomes de se déplacer et contribue à leur remarquable efficacité.
"Ce qui est intéressant, c'est que de tels mouvements atomiques à grande échelle conduisent généralement à une perte de structure cristalline dans d'autres matériaux, créer des imperfections qui drainent l'énergie de l'état excité, " dit Asbury. " Mais avec les pérovskites aux halogénures, les chercheurs peuvent substituer chimiquement des atomes chargés électroniquement dans le matériau pour régler les amplitudes de ces mouvements à l'échelle atomique. Cela nous permettra d'améliorer les performances et la stabilité des matériaux pérovskites aux halogénures.
"Actuellement, les pérovskites aux halogénures contiennent souvent des éléments toxiques comme le plomb et ne sont pas encore aussi stables qu'elles devraient l'être pour remplacer les cellules solaires au silicium, " a déclaré Asbury. " Les informations de cette étude nous permettront de créer des règles pour la conception de nouvelles pérovskites aux halogénures en utilisant le traitement roll-to-roll. Cela guidera le développement de matériaux de pérovskite de prochaine génération qui sont plus stables et qui contiennent des éléments moins toxiques tels que l'étain au lieu du plomb."
