Les concepteurs de cellules solaires savent que leurs créations doivent faire face à un large éventail de températures et à toutes sortes de conditions météorologiques, des conditions qui peuvent avoir un impact sur leur efficacité et leur durée de vie utile.

Le professeur adjoint de chimie et de biochimie de la Florida State University Lea Nienhaus et l'ancienne chercheuse postdoctorale de la FSU Sarah Wieghold aident à comprendre les processus fondamentaux d'un matériau appelé pérovskites, travail qui pourrait conduire à des cellules solaires plus efficaces qui résistent mieux à la dégradation. Ils ont découvert que de petits ajustements à la composition chimique des matériaux ainsi que l'amplitude du champ électrique auquel ils sont exposés peuvent grandement affecter la stabilité globale des matériaux.

Leurs derniers travaux sont publiés dans une paire d'études en Journal de la chimie des matériaux C et Journal de physique appliquée.

Leurs recherches portent sur l'amélioration du potentiel des pérovskites, un matériau avec une structure cristalline basée sur des ions plomb chargés positivement appelés cations et des anions halogénures chargés négativement. Dans une structure cristalline de pérovskite cubique, les octaèdres formés par les ions plomb et halogénure sont entourés de cations supplémentaires chargés positivement.

Les premières cellules solaires à pérovskite, qui ont été développés en 2006, avait une efficacité de conversion d'énergie solaire d'environ 3 pour cent, mais les cellules développées en 2020 ont une efficacité de conversion de puissance de plus de 25 %. Cette augmentation rapide de l'efficacité en fait un matériau prometteur pour de futures recherches, mais ils présentent des inconvénients pour la viabilité commerciale, comme une tendance à se dégrader rapidement.

« Comment pouvons-nous rendre les pérovskites plus stables dans des conditions réelles dans lesquelles elles seront utilisées ? » dit Nienhaus. "Qu'est-ce qui cause la dégradation ? C'est ce que nous essayons de comprendre. Les pérovskites qui ne se dégradent pas rapidement pourraient être un outil précieux pour obtenir plus d'énergie à partir des cellules solaires."

Les pérovskites sont un soi-disant "matériau mou, " malgré les liaisons ioniques du réseau cristallin qui constituent leur structure. Les halogénures ou les cations du matériau peuvent se déplacer à travers ce réseau, ce qui peut augmenter leur taux de dégradation, entraînant un manque de stabilité à long terme.

Dans le Journal de la chimie des matériaux C papier, les chercheurs ont étudié l'influence combinée de la lumière et de la température élevée sur les performances des pérovskites à halogénures mixtes à cations mixtes.

Ils ont découvert que l'ajout d'une petite quantité de l'élément césium au film de pérovskite augmente la stabilité du matériau à des températures légères et élevées. Ajout de rubidium, d'autre part, conduit à de moins bonnes performances.

"Nous avons constaté que selon le choix du cation, deux voies de dégradation peuvent être observées dans ces matériaux, que nous avons ensuite corrélée à une baisse des performances, " dit Wieghold, maintenant assistant scientifique au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique et à la source avancée de photons du Laboratoire national d'Argonne. "Nous avons également montré que l'ajout de césium augmentait la stabilité du film dans nos conditions de test, qui sont des résultats très prometteurs."

Ils ont également constaté qu'une diminution des performances du film pour les mélanges de pérovskites moins stables était corrélée à la formation du composé bromure/iodure de plomb et à une augmentation des interactions électron-phonon. La formation de bromure/iodure de plomb est due au mécanisme de dégradation indésirable, ce qui doit être évité pour obtenir la stabilité et les performances à long terme de ces cellules solaires à pérovskite.

Dans l'article du Journal of Applied Physics, ils ont exploré le lien entre la tension et les performances des matériaux pérovskites. Cela a montré que le mouvement des ions dans le matériau modifie la réponse électrique sous-jacente, qui sera un facteur critique dans la performance photovoltaïque.

"Les pérovskites présentent une grande opportunité pour l'avenir des cellules solaires, et c'est passionnant d'aider à faire avancer cette science, " dit Nienhaus.