Les pérovskites, une vaste catégorie de composés partageant une certaine structure cristalline, ont attiré beaucoup d'attention en tant que nouveaux matériaux potentiels pour les cellules solaires en raison de leur faible coût, la flexibilité, et processus de fabrication relativement facile. Mais beaucoup reste inconnu sur les détails de leur structure et les effets de la substitution de différents métaux ou d'autres éléments dans le matériau.

Les cellules solaires conventionnelles en silicium doivent être traitées à des températures supérieures à 1, 400 degrés Celsius, utilisant des équipements coûteux qui limitent leur potentiel d'augmentation de la production. En revanche, les pérovskites peuvent être traitées dans une solution liquide à des températures aussi basses que 100 degrés, en utilisant du matériel bon marché. Quoi de plus, les pérovskites peuvent être déposées sur une variété de substrats, y compris les plastiques souples, permettant une variété de nouvelles utilisations qui seraient impossibles avec plus d'épaisseur, plaquettes de silicium plus rigides.

Maintenant, les chercheurs ont pu déchiffrer un aspect clé du comportement des pérovskites fabriquées avec différentes formulations :avec certains additifs, il existe une sorte de "sweet spot" où des quantités plus importantes améliorent les performances et au-delà desquelles des quantités supplémentaires commencent à les dégrader. Les résultats sont détaillés cette semaine dans le journal Science , dans un article de l'ancien postdoctorant du MIT Juan-Pablo Correa-Baena, les professeurs du MIT Tonio Buonassisi et Moungi Bawendi, et 18 autres au MIT, l'Université de Californie à San Diego, et d'autres établissements.

Les pérovskites sont une famille de composés qui partagent une structure cristalline en trois parties. Chaque pièce peut être fabriquée à partir d'un certain nombre d'éléments ou de composés différents, ce qui conduit à une très large gamme de formulations possibles. Buonassisi compare la conception d'une nouvelle pérovskite à la commande à partir d'un menu, en choisir un (ou plusieurs) dans chacune des colonnes A, colonne B, et (par convention) la colonne X. "Vous pouvez mélanger et assortir, " il dit, mais jusqu'à présent toutes les variations ne pouvaient être étudiées que par essais et erreurs, puisque les chercheurs n'avaient aucune compréhension de base de ce qui se passait dans le matériel.

Dans les recherches précédentes d'une équipe de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, auquel Correa-Baena a participé, avait découvert que l'ajout de certains métaux alcalins au mélange de pérovskite pouvait améliorer l'efficacité du matériau à convertir l'énergie solaire en électricité, d'environ 19 pour cent à environ 22 pour cent. Mais à l'époque, il n'y avait aucune explication à cette amélioration, et aucune compréhension de ce que ces métaux faisaient exactement à l'intérieur du composé. "On savait très peu de choses sur la façon dont la microstructure affecte la performance, " dit Buonassisi.

Maintenant, cartographie détaillée à l'aide de mesures de fluorescence par nano-rayons X synchrotron à haute résolution, qui peut sonder le matériau avec un faisceau d'un millième de la largeur d'un cheveu, a révélé les détails du processus, avec des indices potentiels sur la façon d'améliorer encore plus les performances du matériau.

Il s'avère que l'ajout de ces métaux alcalins, comme le césium ou le rubidium, au composé de pérovskite aide certains des autres constituants à se mélanger plus facilement. Comme l'équipe le décrit, ces additifs aident à "homogénéiser" le mélange, la rendant plus facilement conductrice de l'électricité et améliorant ainsi son efficacité en tant que cellule solaire. Mais, ils ont trouvé, cela ne fonctionne que jusqu'à un certain point. Au-delà d'une certaine concentration, ces métaux ajoutés s'agglutinent, formant des régions qui interfèrent avec la conductivité du matériau et contrecarrent en partie l'avantage initial. Entre, pour une formulation donnée de ces composés complexes, est le sweet spot qui offre les meilleures performances, ils ont trouvé.

"C'est une grande découverte, " dit Correa-Baena, qui, en janvier, est devenu professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Georgia Tech. Ce que les chercheurs ont trouvé, après environ trois ans de travail au MIT et avec des collaborateurs à l'UCSD, était "ce qui se passe lorsque vous ajoutez ces métaux alcalins, et pourquoi les performances s'améliorent." Ils ont pu observer directement les changements dans la composition du matériau, et révéler, entre autres, ces effets compensateurs d'homogénéisation et d'agglutination.

"L'idée est que, sur la base de ces constatations, nous savons maintenant que nous devrions examiner des systèmes similaires, en termes d'ajout de métaux alcalins ou d'autres métaux, " ou en variant d'autres parties de la recette, dit Correa-Baena. Alors que les pérovskites peuvent avoir des avantages majeurs par rapport aux cellules solaires au silicium conventionnelles, notamment en termes de faible coût de mise en place d'usines pour les produire, ils nécessitent encore des travaux supplémentaires pour augmenter leur efficacité globale et améliorer leur longévité, qui est nettement en retard sur celle des cellules au silicium.

Bien que les chercheurs aient clarifié les changements structurels qui se produisent dans le matériau pérovskite lors de l'ajout de différents métaux, et les changements de performances qui en résultent, "Nous ne comprenons toujours pas la chimie derrière cela, ", explique Correa-Baena. C'est le sujet des recherches en cours de l'équipe. L'efficacité maximale théorique de ces cellules solaires à pérovskite est d'environ 31%, selon Correa-Baena, et la meilleure performance à ce jour est d'environ 23 %, il reste donc une marge significative d'amélioration potentielle.

Bien qu'il faille des années pour que les pérovskites réalisent leur plein potentiel, au moins deux entreprises sont déjà en train de mettre en place des lignes de production, et ils s'attendent à commencer à vendre leurs premiers modules d'ici un an environ. Certains d'entre eux sont petits, cellules solaires transparentes et colorées conçues pour être intégrées dans la façade d'un bâtiment. "C'est déjà en train d'arriver, " Correa-Baena dit, "mais il y a encore du travail à faire pour les rendre plus durables."

Une fois les problèmes de fabricabilité à grande échelle, Efficacité, et la durabilité sont abordées, Buonassisi dit, les pérovskites pourraient devenir un acteur majeur de l'industrie des énergies renouvelables. « S'ils réussissent à rendre durable, des modules à haut rendement tout en préservant le faible coût de fabrication, cela pourrait changer la donne, ", dit-il. "Cela pourrait permettre une expansion de l'énergie solaire beaucoup plus rapide que ce que nous avons vu."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.