Les installations de panneaux solaires sont en augmentation aux États-Unis, avec plus de 2 millions de nouvelles installations début 2019, le plus élevé jamais enregistré au cours d'un premier trimestre, selon un récent rapport de la Solar Energy Industries Association et de Wood Mackenzie Power &Renewables.

Pour répondre aux demandes toujours croissantes, Des alternatives moins coûteuses et plus efficaces aux cellules solaires à base de silicium - actuellement la technologie la plus largement utilisée - sont souhaitables. Dans la dernière décennie, les pérovskites aux halogénures de plomb sont devenues la classe la plus prometteuse de matériaux alternatifs; cependant, ils sont instables. Ils contiennent du plomb, qui est toxique et présente des risques potentiels pour la santé et l'environnement tels que la contamination des eaux souterraines.

Une équipe d'ingénieurs de l'Université de Washington à St. Louis a trouvé ce qu'ils pensent être une solution plus stable, semi-conducteur moins toxique pour les applications solaires en utilisant un nouvel oxyde de pérovskite double découvert grâce à l'analyse de données et aux calculs de mécanique quantique.

Leur travail a été publié en ligne le 11 juin dans Chimie des Matériaux .

Rohan Mishra, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à la McKelvey School of Engineering, conduit une interdisciplinarité, équipe internationale qui a découvert le nouveau semi-conducteur, composé de potassium, baryum, tellure, bismuth et oxygène (KBaTeBiO6). L'oxyde de pérovskite double sans plomb était l'un des 30 premiers, 000 oxydes potentiels à base de bismuth. Sur ces 30, 000, seulement environ 25 étaient des composés connus.

En utilisant l'informatique des matériaux et les calculs de mécanique quantique sur l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde, Arashdeep Singh Thind, un étudiant au doctorat dans le laboratoire de Mishra basé à Oak Ridge National Laboratory, a trouvé que KBaTeBiO6 était le plus prometteur des 30, 000 oxydes potentiels.

"Nous avons découvert que cela semblait être le composé le plus stable et qu'il pouvait être synthétisé en laboratoire, " dit Mishra. " Plus important encore, alors que la plupart des oxydes ont tendance à avoir une large bande, nous avons prédit que le nouveau composé aurait une bande interdite inférieure, qui est proche des pérovskites aux halogénures, et d'avoir des propriétés raisonnablement bonnes.

La bande interdite est la barrière énergétique que les électrons doivent surmonter pour former des porteurs libres qui, dans le cadre d'une cellule solaire, peut être extrait pour alimenter un appareil électrique ou stocké dans une batterie pour une utilisation ultérieure. L'énergie pour surmonter cette barrière est fournie par la lumière du soleil. Les composés les plus prometteurs pour les applications de cellules solaires ont une bande interdite d'environ 1,5 eV, ou électronvolt, dit Mishra.

Mishra a discuté de la possibilité de synthétiser KBaTeBiO6 avec Pratim Biswas, vice-chancelier adjoint, le professeur Lucy &Stanley Lopata et président du département de l'énergie, Génie environnemental et chimique. Shalinee Kavadiya, puis étudiante au doctorat McKelvey Engineering et maintenant associée de recherche postdoctorale à l'Arizona State University, s'est mis au travail pour perfectionner la recette.

"Shalinee a passé environ six mois à synthétiser le matériel, " dit Mishra. " Une fois qu'elle fut capable de le synthétiser, comme nous l'avions prévu, il était stable et avait une bande interdite de 1,88 eV, ce que nous avons également prédit."

Mishra a déclaré qu'il s'agit de cellules solaires de première génération qui nécessitent un réglage plus fin de la bande interdite, mais c'est un bon premier pas vers des cellules solaires non toxiques.

"Cela montre que nous pouvons nous éloigner de ces pérovskites aux halogénures de plomb, " a déclaré Mishra. " Cela ouvre un très grand espace pour la conception de semi-conducteurs non seulement pour les applications de cellules solaires, mais aussi pour d'autres applications de semi-conducteurs, tels que les écrans LCD."

Prochain, l'équipe étudiera le rôle de tout défaut dans ce nouveau semi-conducteur et se tournera vers des techniques de synthèse plus avancées, y compris en utilisant des techniques d'aérosols.