Les pérovskites à base de plomb sont des matériaux très prometteurs pour la production de panneaux solaires. Ils transforment efficacement la lumière en électricité mais présentent également des inconvénients majeurs :les matériaux les plus performants sont peu stables, tandis que le plomb est un élément toxique. Des scientifiques de l'Université de Groningue étudient des alternatives aux pérovskites à base de plomb. Deux facteurs qui affectent de manière significative l'efficacité de ces cellules solaires sont la capacité à former des films minces et la structure des matériaux dans les cellules solaires. Par conséquent, il est très important d'étudier in situ comment les cristaux de pérovskite sans plomb se forment et comment la structure cristalline affecte le fonctionnement des cellules solaires. Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue Matériaux fonctionnels avancés le 31 mars.

Les cellules photovoltaïques basées sur des pérovskites hybrides ont été introduites pour la première fois en 2009 et sont rapidement devenues presque aussi efficaces que les cellules solaires au silicium standard. Ces matériaux ont une structure cristalline très particulière, connue sous le nom de structure pérovskite. Dans une maille cubique idéalisée, les anions forment un octaèdre autour d'un cation central, tandis que les coins du cube sont occupés par d'autres, cations plus gros. Différents ions peuvent être utilisés pour créer différentes pérovskites.

Revêtement d'essorage

Les meilleurs résultats dans les cellules solaires ont été obtenus en utilisant des pérovskites avec du plomb comme cation central. Comme ce métal est toxique, des alternatives à base d'étain ont été développées, par exemple, iodure d'étain formamidinium (FASnI 3 ). C'est un matériau prometteur; cependant, il n'a pas la stabilité de certains des matériaux à base de plomb. Des tentatives ont été faites pour mélanger le FASnI 3-D 3 cristaux avec des matériaux en couches, contenant le cation organique phényléthylammonium (PEA). "Mon collègue, Professeur Maria Loi, et son équipe de recherche a montré que l'ajout d'une petite quantité de ce PEA produit un matériau plus stable et efficace, ", déclare le professeur adjoint Giuseppe Portale. "Cependant, en ajouter beaucoup réduit l'efficacité photovoltaïque."

C'est là qu'intervient Portale. Les pérovskites sont étudiées depuis longtemps par le professeur de photophysique et d'optoélectronique Maria Loi, tandis que Portale a développé une technique de diffraction des rayons X qui lui permet d'étudier la formation rapide de films minces en temps réel lors du revêtement par centrifugation à partir d'une solution. A l'échelle du laboratoire, les films de pérovskite sont généralement réalisés par spin coating, un processus dans lequel une solution de précurseur est délivrée sur un substrat à rotation rapide. Les cristaux se développent au fur et à mesure que le solvant s'évapore. Sur la ligne de lumière BM26B-DUBBLE de l'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron (ESRF) à Grenoble, La France, Portale a étudié ce qui se passe pendant la formation du film d'étain-pérovskite.

Interface

"Notre idée de départ, qui reposait sur des enquêtes ex situ, était que les cristaux orientés croissent de la surface du substrat vers le haut, " explique Portale. Cependant, les résultats in situ ont montré le contraire :les cristaux commencent à croître à l'interface air/solution. Au cours de ses expériences, il a utilisé FASnI 3-D 3 avec l'ajout de différentes quantités de PEASnI 2-D 4 . Dans la pérovskite 3D pure, des cristaux ont commencé à se former à la surface mais aussi dans la majeure partie de la solution. Cependant, l'ajout d'une petite quantité du matériau 2-D a supprimé la cristallisation en masse et les cristaux ne se sont développés qu'à partir de l'interface.

« Les molécules de PEA jouent un rôle actif dans la solution précurseur des pérovskites, stabiliser la croissance de cristaux de type 3-D orientés grâce à la coordination sur les bords du cristal. De plus, Les molécules de PEA empêchent la nucléation dans la phase en vrac, la croissance cristalline n'a donc lieu qu'à l'interface air/solvant, " explique Portale. Les films résultants sont composés de cristaux de pérovskite de type 3-D alignés et d'une quantité minimale de pérovskite de type 2-D, situé au bas du film. L'ajout de faibles concentrations du matériau 2-D produit un matériau photovoltaïque stable et efficace, tandis que l'efficacité chute considérablement à des concentrations élevées de ce matériau 2-D.

Isolant

Les expériences de Portale et Loi peuvent expliquer cette observation :« La pérovskite de type 2-D est située à l'interface substrat/film. L'augmentation du contenu du matériau 2-D au-dessus d'une certaine quantité provoque la formation d'un Couche organique de type D qui agit comme un isolant, avec un effet néfaste pour l'efficacité de l'appareil." La conclusion de l'étude est que la formation de cette couche isolante doit être évitée pour obtenir une pérovskite à base d'étain très efficace et stable. "La prochaine étape est de réaliser cela, par exemple en jouant avec les solvants, température ou des interactions spécifiques pérovskite/substrat qui peuvent briser la formation de cette épaisse couche isolante."