Dans les cellules solaires, environ les deux tiers de l'énergie de la lumière du soleil sont perdus. La moitié de cette perte est due à un processus appelé « refroidissement par porteur chaud » où les photons à haute énergie perdent leur excès d'énergie sous forme de chaleur avant d'être convertis en électricité. Les scientifiques de l'AMOLF ont trouvé un moyen de manipuler la vitesse de ce processus dans les pérovskites en appliquant une pression sur le matériau. Cela ouvre la voie à la polyvalence des pérovskites, non seulement pour une utilisation dans les cellules solaires, mais aussi dans une variété d'autres applications, des lasers aux appareils thermoélectriques. Les chercheurs publieront leur étude dans le Journal des lettres de chimie physique le 23 avril.

Les pérovskites sont un matériau prometteur pour les cellules solaires de la future génération, parce qu'ils sont fabriqués à partir d'ingrédients bon marché et qu'il est facile de modifier leur composition pour répondre à des besoins spécifiques, comme les cellules solaires dans n'importe quelle couleur désirée. Des chercheurs du groupe Cellules solaires hybrides de l'AMOLF tentent d'augmenter l'efficacité et la durée de vie des semi-conducteurs à pérovskites hybrides en découvrant les propriétés fondamentales des pérovskites. L'une de ces propriétés est la vitesse à laquelle se produit le refroidissement dit des porteurs chauds, ce qui est également pertinent si les pérovskites sont utilisées dans d'autres applications.

Refroidissement du porteur chaud

Dans les cellules solaires, l'énergie de la lumière qui correspond à la bande interdite du semi-conducteur est convertie directement en électricité. Cette route directe n'est pas disponible pour les photons avec une énergie plus élevée. Ces photons génèrent des porteurs dits chauds :des électrons (et des trous) de haute énergie qui doivent se refroidir avant de pouvoir être récoltés sous forme d'énergie électrique. Le refroidissement des porteurs chauds se produit spontanément :les porteurs chauds perdent leur excès d'énergie sous forme de chaleur par diffusion jusqu'à ce qu'ils correspondent au niveau d'énergie de conduction du semi-conducteur. En essayant de comprendre ce processus dans les pérovskites, doctorat l'étudiante Loreta Muscarella rencontre diverses difficultés, l'un d'eux étant l'échelle de temps. Elle dit, "Le refroidissement du porteur chaud se produit très rapidement, typiquement sur une échelle de temps de femtosecondes à picosecondes, ce qui rend difficile la manipulation ou même l'enquête sur le processus. Nous avons la chance d'avoir une configuration unique avec un spectromètre d'absorption transitoire (TAS) en combinaison avec un équipement sous pression dans notre groupe. Cela nous permet de mesurer les propriétés électroniques de la pérovskite sous contrainte externe quelques femtosecondes après avoir projeté de la lumière sur le matériau."

Manipuler avec la pression

On savait déjà que sous un éclairage abondant, le refroidissement des porteurs chauds dans les semi-conducteurs pérovskites est beaucoup plus lent que dans les semi-conducteurs au silicium. Cela rend l'étude du processus beaucoup plus réalisable dans la pérovskite plutôt que dans le silicium. Muscarella et ses collègues ont supposé que la vitesse du processus de refroidissement pouvait dépendre de la pression. "Les porteurs chauds perdent leur excès d'énergie par vibration et diffusion. L'application d'une pression augmente les vibrations à l'intérieur du matériau, et devrait ainsi augmenter la vitesse de refroidissement des porteurs chauds, " dit-elle. " Nous avons décidé de tester cette hypothèse et avons constaté que nous pouvons en effet manipuler le temps de refroidissement avec la pression. A 3000 fois la pression ambiante, le processus est deux à trois fois plus rapide."

Une cellule solaire ne pourrait pas fonctionner à des pressions aussi élevées, mais un effet similaire peut être obtenu avec une contrainte interne. Muscarella :« Nous avons fait nos expériences avec la pression externe, mais dans les pérovskites il est possible d'induire une contrainte interne en modifiant chimiquement le matériau ou sa croissance, comme nous l'avons déjà montré dans notre groupe."

Vitesse de refroidissement pour différentes applications

Être capable de contrôler la vitesse de refroidissement du porteur chaud permet diverses autres applications des pérovskites en plus des cellules solaires. "La possibilité de concevoir des pérovskites pour des couleurs spécifiques les rend non seulement très intéressantes pour les cellules solaires colorées, mais aussi pour les lasers ou la technologie LED. Dans de telles applications, un refroidissement rapide des porteurs chauds est essentiel, tout comme dans les cellules solaires conventionnelles. D'un autre côté, un refroidissement lent rendrait les pérovskites adaptées aux dispositifs thermoélectriques qui convertissent une différence de température en électricité. Ainsi, la possibilité de régler la vitesse de refroidissement du porteur chaud permet toute une gamme d'appareils qui pourraient être fabriqués avec des pérovskites, ", explique Muscarella. Elle envisage même d'appliquer une pression négative sur le matériau pour ralentir encore le processus de refroidissement du porteur chaud pour un type spécifique de cellule solaire.

"Étant donné que la dissipation thermique représente près de trente pour cent de la perte d'efficacité des cellules solaires, les scientifiques cherchent des moyens de récolter les porteurs chauds avant qu'ils ne se refroidissent. Actuellement, même le refroidissement « lent » dans les pérovskites à pression ambiante est encore trop rapide pour de telles cellules solaires dites à porteurs chauds. Maintenant, ces porteurs chauds perdent leur excès d'énergie sous forme de chaleur en quelques picosecondes. Cependant, si nous pouvions induire une contrainte négative, il serait peut-être possible de ralentir le processus suffisamment pour être appliqué dans un appareil de travail."