Des chercheurs en génie de l'Université de Toronto ont combiné deux technologies émergentes pour l'énergie solaire de nouvelle génération et ont découvert que chacune contribue à stabiliser l'autre. Le matériau hybride qui en résulte est une étape majeure vers la réduction du coût de l'énergie solaire tout en multipliant les usages.

Aujourd'hui, pratiquement toutes les cellules solaires sont constituées de silicium de haute pureté. C'est une technologie bien établie, et ces dernières années, le coût de fabrication a considérablement diminué en raison des économies d'échelle. Néanmoins, le silicium a une limite supérieure à son efficacité. Une équipe dirigée par le professeur Ted Sargent recherche des matériaux complémentaires qui peuvent améliorer le potentiel de récolte solaire du silicium en absorbant les longueurs d'onde de la lumière que le silicium n'a pas.

"Deux des technologies que nous recherchons dans notre laboratoire sont les cristaux de pérovskite et les points quantiques, " dit Sargent. " Les deux se prêtent au traitement de la solution. Imaginez une « encre solaire » qui pourrait être imprimée sur du plastique souple pour créer à faible coût, cellules solaires pliables. On peut aussi les combiner devant, ou derrière, cellules solaires au silicium pour améliorer encore leur efficacité. »

L'un des principaux défis auxquels sont confrontés à la fois les pérovskites et les points quantiques est la stabilité. À température ambiante, certains types de pérovskites subissent un ajustement de leur structure cristalline en 3D qui les rend transparents - ils n'absorbent plus complètement le rayonnement solaire.

Pour leur part, les points quantiques doivent être recouverts d'une fine couche appelée couche de passivation. Cette couche, épaisse d'une seule molécule, empêche les points quantiques de se coller les uns aux autres. Mais des températures supérieures à 100 C peuvent détruire la couche de passivation, provoquant l'agrégation ou l'agrégation des points quantiques, détruire leur capacité à récolter la lumière.

Dans un article publié aujourd'hui dans La nature , une équipe de chercheurs du laboratoire de Sargent rapporte un moyen de combiner des pérovskites et des points quantiques qui stabilise les deux.

"Avant de faire ça, les gens essayaient généralement de relever les deux défis séparément, " dit Mengxia Liu, l'auteur principal du journal.

"La recherche a montré la croissance réussie de structures hybrides qui incorporaient à la fois des pérovskites et des points quantiques, " dit Liu, qui est maintenant boursier postdoctoral à l'Université de Cambridge. "Cela nous a inspiré à envisager la possibilité que les deux matériaux puissent se stabiliser s'ils partagent la même structure cristalline."

Liu et l'équipe ont construit deux types de matériaux hybrides. L'un était principalement des points quantiques avec environ 15 % de pérovskites en volume, et est conçu pour transformer la lumière en électricité. L'autre était principalement des pérovskites avec moins de 15% de points quantiques en volume, et est mieux adapté pour transformer l'électricité en lumière, par exemple, dans le cadre d'une diode électroluminescente (DEL).

L'équipe a pu montrer que le matériau riche en pérovskite restait stable aux conditions ambiantes (25 C et 30% d'humidité) pendant six mois, environ dix fois plus longtemps que les matériaux composés de la même pérovskite seule. Quant au matériau des points quantiques, lorsqu'il est chauffé à 100 C, l'agrégation des nanoparticules était cinq fois plus faible que si elles n'avaient pas été stabilisées avec des pérovskites.

"Cela a prouvé notre hypothèse remarquablement bien, " dit Liu. " C'était un résultat impressionnant au-delà de nos attentes. "

Le nouveau document fournit une preuve de concept de l'idée que ces types de matériaux hybrides peuvent améliorer la stabilité. À l'avenir, Liu espère que les fabricants de cellules solaires reprendront ses idées et les amélioreront encore plus pour créer des cellules solaires traitées en solution qui répondent aux mêmes critères que le silicium traditionnel.

"Les chercheurs industriels pourraient expérimenter en utilisant différents éléments chimiques pour former les pérovskites ou les points quantiques, " dit Liu. " Ce que nous avons montré, c'est qu'il s'agit d'une stratégie prometteuse pour améliorer la stabilité de ce type de structures. "

"Les pérovskites ont montré un énorme potentiel en tant que matériaux solaires, mais des solutions fondamentales sont nécessaires pour les transformer en matériaux stables et robustes capables de répondre aux exigences exigeantes du secteur des énergies renouvelables." dit Jeffrey C. Grossman, le professeur Morton et Claire Goulder and Family en systèmes environnementaux et professeur au département de science et génie des matériaux du Massachusetts Institute of Technology, qui n'a pas participé à l'étude. « L'étude de Toronto montre une nouvelle voie passionnante pour faire progresser la compréhension, et la réalisation, de phases cristallines de pérovskite stables."

Liu attribue la découverte en partie à l'environnement collaboratif de l'équipe, qui comprenait des chercheurs de nombreuses disciplines, y compris la chimie, physique et son propre domaine de la science des matériaux.

"La pérovskite et les points quantiques ont des structures physiques distinctes, et les similitudes entre ces matériaux ont généralement été négligées, " dit-elle. " Cette découverte montre ce qui peut arriver lorsque nous combinons des idées de différents domaines. "