Les cellules solaires produites à partir d'une combinaison de silicium et de pérovskite, en particulier la variante aux halogénures mixtes tels que l'iode et le brome, peuvent être plus efficaces et moins chères que les cellules solaires traditionnelles au silicium, car elles convertissent une plus grande proportion de la lumière solaire en électricité. Cependant, les pérovskites se dégradent sous l'influence de la lumière, et donc ils ne peuvent pas encore être utilisés pour des applications commerciales. La substitution du cation (ion chargé positivement) dans la structure améliore la stabilité du matériau. Les chercheurs de l'AMOLF ont maintenant révélé que cette amélioration provient de la compression de la structure, comparable à l'application d'une pression considérable sur elle. Ils ont publié leurs résultats dans Rapports cellulaires Sciences physiques .

Intuition chimique

Une pérovskite est constituée d'un ion plomb entouré d'ions halogénures tels que les ions iode et brome. Cela forme une structure 3-D avec des cages remplies d'un cation tel que le méthylammonium. Le problème est que si la structure est éclairée, des zones séparées apparaissent dans le matériau où se trouvent principalement des ions iode ou principalement des ions brome. L'avantage du mélange iode-brome dans les pérovskites est alors perdu :une grande partie du spectre lumineux est convertie en chaleur au lieu d'électricité.

Éline Hutter, chimiste de formation et jusqu'à cette année chercheur à l'AMOLF, pensé que la séparation spontanée des halogénures pourrait être empêchée en soumettant le matériau à une pression élevée. "À l'époque, Je ne savais pas exactement pourquoi. J'ai appelé ça l'intuition chimique."

Des expériences difficiles

Le groupe Cellules Solaires Hybrides d'AMOLF avait précédemment développé un dispositif très utile dans ce cas :un spectromètre d'absorption transitoire (TAS) capable de mesurer les propriétés électroniques des pérovskites sous très haute pression. "Il n'y a aucune autre configuration comparable qui combine TAS avec une cellule de pression dans le monde, " dit Bruno Ehrler, chef de groupe. " Mais j'étais au départ sceptique quant à l'idée d'Eline, en partie parce que les expériences que nous aurions à faire semblaient trop difficiles."

Avec sa collègue Loreta Muscarella, Eline Hutter a utilisé cette configuration pour mesurer ce qui se passe après que le matériau a été illuminé. "S'il n'y a pas de pression sur le matériau, on observe une séparation du brome et de l'iode. Sous 3000 bars de pression, nous voyons que la séparation ne se produit plus."

Solution pratique

Ce résultat a confirmé l'hypothèse de Hutter selon laquelle le volume libre dans le matériau, et par conséquent la pression, joue un rôle crucial dans la séparation des halogénures. La production d'une cellule solaire sous une pression aussi élevée n'est pas pratique. Cependant, il existe une solution pratique, explique Hutter. "Si on remplace le cation dans les cages de la pérovskite par un cation plus petit comme le césium, une contraction dite chimique a lieu. Toute la structure se rétrécit, tout comme la terre qui se dessèche et se contracte. L'effet est exactement le même que celui de soumettre le matériau à une haute pression."

Hutter et ses collègues ont ensuite utilisé le TAS pour démontrer que dans cette pérovskite comprimée chimiquement, la séparation de l'iode et du brome n'a plus lieu. Avec ça, ils ont démontré qu'un aspect oublié de la théorie est important :le volume de la matière était auparavant exclu des calculs, dit Hutter. "À mon avis, ce qui rend cette recherche si intéressante, c'est le lien entre la pression externe et interne."

C'est une découverte vitale pour rendre les pérovskites stables, dit Ehrler. « L'accent a été principalement mis sur la cinétique :retarder le mouvement des ions pour ralentir la séparation. Nous avons maintenant démontré qu'augmenter la pression, modifie la thermodynamique :les ions se déplacent tout aussi vite, mais la séparation de l'iode et du brome n'est plus énergétiquement favorable. Donc, cette ségrégation n'existe plus."