Des chercheurs du département des matériaux du College of Engineering de l'UC Santa Barbara ont découvert une cause majeure des limitations de l'efficacité d'une nouvelle génération de cellules solaires.

Divers défauts possibles dans le réseau de ce que l'on appelle les pérovskites hybrides avaient auparavant été considérés comme la cause potentielle de telles limitations, mais il a été supposé que les molécules organiques (les composants responsables du surnom « hybride ») resteraient intactes. Des calculs de pointe ont maintenant révélé que les atomes d'hydrogène manquants dans ces molécules peuvent entraîner des pertes d'efficacité massives. Les résultats sont publiés dans un article intitulé « Minimizing Hydrogen Vacancies to enable high efficient hybrid perovskites, " dans le numéro du 29 avril de la revue Matériaux naturels .

Les performances photovoltaïques remarquables des pérovskites hybrides ont suscité beaucoup d'enthousiasme, étant donné leur potentiel de faire progresser la technologie des cellules solaires. « hybride » fait référence à l'inclusion de molécules organiques dans un réseau de pérovskite inorganique, qui a une structure cristalline similaire à celle du minéral pérovskite (oxyde de calcium et de titane). Les matériaux présentent des rendements de conversion de puissance rivalisant avec ceux du silicium, mais sont beaucoup moins chers à produire. Défauts dans le réseau cristallin pérovskite, cependant, sont connus pour créer une dissipation d'énergie indésirable sous forme de chaleur, ce qui limite l'efficacité.

Un certain nombre d'équipes de recherche ont étudié de tels défauts, parmi eux le groupe de professeurs de matériaux de l'UCSB Chris Van de Walle, qui a récemment réalisé une percée en découvrant un défaut préjudiciable à un endroit que personne n'avait regardé auparavant :sur la molécule organique.

"L'iodure de plomb méthylammonium est la pérovskite hybride prototypique, " a expliqué Xie Zhang, chercheur principal sur le projet. "Nous avons découvert qu'il est étonnamment facile de rompre l'une des liaisons et d'éliminer un atome d'hydrogène sur la molécule de méthylammonium. La "lacune d'hydrogène" qui en résulte agit alors comme un puits pour les charges électriques qui se déplacent à travers le cristal après avoir été générées par la lumière tombant sur la cellule solaire. Lorsque ces charges se coincent dans le vide, ils ne peuvent plus faire de travail utile, comme charger une batterie ou alimenter un moteur, d'où la perte d'efficacité."

La recherche a été rendue possible par des techniques informatiques avancées développées par le groupe Van de Walle. Ces calculs de pointe fournissent des informations détaillées sur le comportement quantique des électrons dans le matériau. Marc Turiansky, un étudiant diplômé supérieur du groupe de Van de Walle qui a participé à la recherche, aidé à construire des approches sophistiquées pour transformer ces informations en valeurs quantitatives pour les taux de piégeage des porteurs de charge.

"Notre groupe a créé des méthodes puissantes pour déterminer quels processus causent une perte d'efficacité, " Turiansky a dit, « et il est gratifiant de voir l'approche fournir des informations aussi précieuses pour une classe importante de matériaux. »

"Les calculs agissent comme un microscope théorique qui nous permet de scruter le matériau avec une résolution beaucoup plus élevée que celle qui peut être obtenue expérimentalement, " a expliqué Van de Walle. " Ils constituent également une base pour la conception rationnelle des matériaux. Par essais et erreurs, il a été constaté que les pérovskites dans lesquelles la molécule de méthylammonium est remplacée par du formamidinium présentent de meilleures performances. Nous pouvons maintenant attribuer cette amélioration au fait que les défauts d'hydrogène se forment moins facilement dans le composé formamidinium.

"Cette idée fournit une justification claire de la sagesse empiriquement établie selon laquelle le formamidinium est essentiel pour la réalisation de cellules solaires à haut rendement, " Il a ajouté. " Sur la base de ces idées fondamentales, les scientifiques qui fabriquent les matériaux peuvent développer des stratégies pour supprimer les défauts nocifs, stimuler des améliorations supplémentaires de l'efficacité dans les cellules solaires."