Les chercheurs de l'AMOLF Erik Garnett, Susan Rigter, et ses collègues sont les premiers à avoir démontré de manière irréfutable que la pérovskite amorphe existe. Le matériau peut augmenter considérablement l'efficacité des cellules solaires produites à partir de pérovskite. La recherche est publiée aujourd'hui dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .

Pérovskite, le nouveau matériau très prometteur pour les cellules solaires, est naturellement cristallin; en d'autres termes, les atomes s'entassent dans un motif ordonné. A partir de cellules solaires traditionnelles au silicium, on sait que l'efficacité des cellules peut être boostée si une partie du matériau est amorphe, ce qui signifie que les atomes s'entassent au hasard.

Erik Garnett (AMOLF Nanoscale Solar Cells) a été le premier à réaliser que la pérovskite amorphe pouvait remplir la même fonction. Le défi suivant était de produire le matériau et d'étudier ses propriétés. Garnett explique pourquoi c'était difficile :« La pérovskite est constituée d'ions. Par nature, ceux-ci s'organisent facilement dans un réseau cristallin, tout comme le sel de table, par exemple. Nous devions trouver une astuce pour empêcher ces cristaux de se former, et nous avons réussi à le faire. En utilisant des techniques telles que la diffraction des rayons X, nous avons par la suite également démontré que le matériau est amorphe. Avec ça, nous avons livré la première preuve irréfutable de l'existence de la pérovskite amorphe."

Le vinaigre rend la pérovskite amorphe

Le truc que Garnett, premier auteur de l'article Susan Rigter, et leurs collègues ont appliqué fait varier la quantité d'acétate de méthylammonium, l'un des composants de la pérovskite. Plus d'acétate (l'ingrédient clé du vinaigre) donne une pérovskite plus amorphe car elle entrave le processus de cristallisation et accélère la disparition du solvant. "Nous étions en fait surpris de pouvoir former de la pérovskite amorphe, nous avons donc voulu étudier le mécanisme de formation, " dit Garnett. " Nous avons démontré qu'en tant qu'étape intermédiaire, un complexe se forme dans la solution qui empêche la cristallisation. Lorsque nous chauffons ensuite la solution pour évaporer le solvant, le complexe se décompose si rapidement qu'il n'a pas le temps de cristalliser."

La méthode que les chercheurs ont conçue pour fabriquer de la pérovskite amorphe est largement applicable. La pérovskite la plus étudiée est l'iodure de plomb méthylammonium, mais la synthèse fonctionne également avec d'autres sels d'ammonium et avec d'autres halogénures tels que le bromure au lieu de l'iodure. Par ailleurs, il s'est avéré que la variation de ces composants a entraîné un décalage de la bande interdite, une propriété de la substance qui indique quelle couleur de lumière la cellule solaire absorbe et convertit en électricité le plus efficacement. La possibilité de régler la bande interdite amorphe permet de combiner de nombreux matériaux avec différentes bandes interdites, conduisant à des cellules solaires plus efficaces.

Cellules solaires efficaces

Analogue aux cellules solaires au silicium, une couche amorphe de pérovskite peut aider à améliorer l'efficacité en fournissant une couche dite passivante, dit Garnett. Des électrons sont libérés dans le matériau en raison de la lumière qui brille sur une cellule solaire. Ces électrons se déplacent vers la surface où ils sont éliminés par des contacts électroniques. Cela donne naissance à un courant. Dans un cristal, les électrons peuvent être piégés à la frontière du cristal. Dans des cellules solaires au silicium record, une couche de passivation amorphe garantit que cela n'arrive pas, conduisant à une puissance de sortie plus élevée de la cellule solaire. La pérovskite amorphe pourrait également remplir cette fonction, ce qui augmenterait encore l'efficacité des cellules solaires à pérovskite. "Nous mesurons une émission lumineuse plus forte et plus longue en utilisant la pérovskite amorphe comme couche passivante, ce qui est une indication pour une cellule solaire plus performante, " dit Garnett.

Par conséquent, la prochaine étape de la recherche est la production de ce type de cellule solaire, commençant par une couche de pérovskite cristalline recouverte d'une couche de pérovskite amorphe. C'est plus difficile que de produire uniquement de la pérovskite amorphe car la couche cristalline sous-jacente fournit un modèle ordonné, ce qui permet aux atomes de se regrouper plus facilement de manière ordonnée. "Je considère l'analogie avec le silicium comme l'aspect le plus passionnant de notre recherche, " dit Garnett. " Je pense que c'est une percée significative pour les pérovskites avec d'énormes possibilités. "