Parmi les matériaux appelés pérovskites, l'un des plus intéressants est un matériau qui peut convertir la lumière du soleil en électricité aussi efficacement que les cellules solaires au silicium commerciales d'aujourd'hui et qui a le potentiel d'être beaucoup moins cher et plus facile à fabriquer.

Il n'y a qu'un seul problème :sur les quatre configurations atomiques possibles, ou phases, ce matériau peut prendre, trois sont efficaces mais instables à température ambiante et dans des environnements ordinaires, et ils reviennent rapidement à la quatrième phase, ce qui est totalement inutile pour les applications solaires.

Maintenant, des scientifiques de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie ont trouvé une nouvelle solution :il suffit de placer la version inutile du matériau dans une cellule à enclume de diamant et de la presser à haute température. Ce traitement pousse sa structure atomique dans une configuration efficace et la maintient ainsi, même à température ambiante et dans un air relativement humide.

Les chercheurs ont décrit leurs résultats dans Communication Nature .

"C'est la première étude à utiliser la pression pour contrôler cette stabilité, et ça ouvre vraiment beaucoup de possibilités, " dit Yu Lin, un scientifique et chercheur du personnel du SLAC au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).

« Maintenant que nous avons trouvé cette façon optimale de préparer le matériel, " elle a dit, « il y a un potentiel de mise à l'échelle pour la production industrielle, et pour avoir utilisé cette même approche pour manipuler d'autres phases de pérovskite."

Une recherche de stabilité

Les pérovskites tirent leur nom d'un minéral naturel ayant la même structure atomique. Dans ce cas, les scientifiques ont étudié une pérovskite aux halogénures de plomb qui est une combinaison d'iode, plomb et césium.

Une phase de ce matériau, connue sous le nom de phase jaune, n'a pas de véritable structure pérovskite et ne peut pas être utilisé dans les cellules solaires. Cependant, les scientifiques ont découvert il y a quelque temps que si vous le traitez d'une certaine manière, il se transforme en une phase de pérovskite noire qui est extrêmement efficace pour convertir la lumière du soleil en électricité. « Cela l'a rendu très recherché et au centre de nombreuses recherches, " a déclaré la professeure de Stanford et co-auteur de l'étude Wendy Mao.

Malheureusement, ces phases noires sont également structurellement instables et ont tendance à retomber rapidement dans la configuration inutile. Plus, ils ne fonctionnent qu'avec un rendement élevé à des températures élevées, Mao a dit, et les chercheurs devront surmonter ces deux problèmes avant de pouvoir les utiliser dans des dispositifs pratiques.

Il y avait eu des tentatives précédentes pour stabiliser les phases noires avec la chimie, déformation ou température, mais uniquement dans un environnement sans humidité qui ne reflète pas les conditions réelles dans lesquelles les cellules solaires fonctionnent. Cette étude a combiné à la fois la pression et la température dans un environnement de travail plus réaliste.

La pression et la chaleur font l'affaire

Travaillant avec des collègues des groupes de recherche de Stanford de Mao et du professeur Hemamala Karunadasa, Lin et le chercheur postdoctoral Feng Ke ont conçu une configuration dans laquelle des cristaux de phase jaune ont été pressés entre les pointes de diamants dans ce qu'on appelle une cellule à enclume de diamant. Avec toujours la pression, les cristaux ont été chauffés à 450 degrés Celsius puis refroidis.

Sous la bonne combinaison de pression et de température, les cristaux virent du jaune au noir et restèrent dans la phase noire après relâchement de la pression, disaient les scientifiques. Ils étaient résistants à la détérioration due à l'air humide et restaient stables et efficaces à température ambiante pendant 10 à 30 jours ou plus.

L'examen aux rayons X et d'autres techniques a confirmé le changement dans la structure cristalline du matériau, et les calculs des théoriciens du SIMES Chunjing Jia et Thomas Devereaux ont donné un aperçu de la façon dont la pression a modifié la structure et préservé la phase noire.

La pression nécessaire pour noircir les cristaux et les maintenir ainsi était d'environ 1, 000 à 6, 000 fois la pression atmosphérique, Lin a dit - environ un dixième des pressions couramment utilisées dans l'industrie du diamant synthétique. Ainsi, l'un des objectifs des recherches futures sera de transférer ce que les chercheurs ont appris de leurs expériences sur les cellules à enclume de diamant à l'industrie et d'intensifier le processus pour l'intégrer dans le domaine de la fabrication.