Le soleil fournit plus d'énergie à la Terre en une heure que l'humanité n'en consomme sur une année entière. Les scientifiques du monde entier recherchent des matériaux capables de capter de manière rentable et efficace cette énergie sans carbone et de la convertir en électricité.

Pérovskites, une classe de matériaux avec une structure cristalline unique, pourrait dépasser la technologie actuelle de récupération d'énergie solaire. Ils sont moins chers que les matériaux utilisés dans les cellules solaires actuelles, et ils ont démontré des propriétés photovoltaïques remarquables, un comportement qui leur permet de convertir très efficacement la lumière du soleil en électricité.

Révéler la nature des pérovskites à l'échelle atomique est essentiel pour comprendre leurs capacités prometteuses. Cette information peut aider à éclairer les modèles pour déterminer la composition optimale des matériaux pérovskites pour les cellules solaires, qui peut être utilisé pour alimenter des véhicules, appareils électroniques et même le chauffage domestique et d'autres appareils.

Des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont participé à une collaboration dirigée par l'Université Duke, avec le laboratoire national d'Oak Ridge du DOE et d'autres collaborateurs, étudier le fonctionnement interne d'un matériau pérovskite en utilisant les capacités de diffusion des rayons X de classe mondiale à Argonne et les capacités de diffusion des neutrons à Oak Ridge. Les capacités de diffusion ont permis aux scientifiques d'observer le comportement du matériau à l'échelle atomique, et l'étude a révélé que le mouvement de type liquide dans les pérovskites peut expliquer comment ils produisent efficacement des courants électriques.

"Il y a beaucoup d'enthousiasme autour de ces matériaux, mais nous ne comprenons pas très bien pourquoi ce sont de si bons photovoltaïques, " a déclaré Olivier Delaire de Duke University, scientifique principal de l'étude.

Lorsque la lumière frappe un matériau photovoltaïque, il excite les électrons, les incitant à sortir de leurs atomes et à voyager à travers la matière, conduire l'électricité. Un problème courant est que les électrons excités peuvent se recombiner avec les atomes au lieu de traverser le matériau, ce qui peut réduire considérablement l'électricité produite par rapport à la quantité de lumière solaire qui frappe le matériau.

"Les pérovskites réussissent bien à empêcher la recombinaison, " a déclaré Ray Osborn d'Argonne. "Nous voulons savoir quel mécanisme provoque cela et si nous pouvons en tirer des leçons pour créer de meilleures cellules solaires."

L'équipe a étudié l'une des pérovskites les plus simples, un composé de césium, plomb et brome (CsPbBr 3 )—pour comprendre ce qui se passe à l'échelle atomique.

En utilisant les capacités de diffusion des rayons X sur la ligne de lumière du groupe Matériaux magnétiques d'Argonne (6-ID-D) à la source de photons avancée du laboratoire, une installation utilisateur du DOE Office of Science, l'équipe a capturé les positions moyennes des atomes dans un cristal de pérovskite à différentes températures. Ils ont découvert que chaque atome de plomb et sa cage d'atomes de brome qui l'entoure forment des unités rigides qui se comportent comme des molécules. Ces unités oscillent - ou oscillent d'avant en arrière - à la manière d'un liquide.

"Les molécules de ce matériau tournent autour des autres molécules comme si elles étaient articulées ensemble, et autour des charnières, les molécules agissent comme une disquette, " dit Delaire.

Une théorie pour expliquer comment les pérovskites résistent à la recombinaison est que ces distorsions dans le réseau, ou structure cristalline, suivre les électrons libres lorsqu'ils traversent le matériau. Les électrons pourraient déformer le réseau, provoquant les perturbations de type liquide, qui les empêchent alors de retomber dans leurs atomes hôtes. Cette théorie, qui est renforcé par les nouveaux résultats expérimentaux, peut fournir de nouvelles informations sur la façon de concevoir des matériaux pérovskites optimaux pour les cellules solaires.

Les données indiquent également que les molécules du matériau oscillent dans des plans bidimensionnels, sans mouvement à travers les plans, semblable à un manège de carnaval qui oscille uniquement de gauche à droite, mais jamais d'avant en arrière. La nature bidimensionnelle des distorsions cristallines pourrait être une pièce de puzzle supplémentaire pour expliquer comment la pérovskite peut empêcher la recombinaison électronique, contribuant à l'efficacité du matériel.

Selon Osborn, les motifs bidimensionnels dans les données de diffusion des rayons X n'avaient jamais été vus. « Sur la base de ces mesures inattendues, nous voulions creuser encore plus en regardant non seulement les positions atomiques moyennes, mais comment les atomes se déplacent en temps réel, " il a dit.

Pour étudier directement le mouvement des atomes, l'équipe a utilisé les capacités de diffusion des neutrons à la source de neutrons de spallation, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Oak Ridge National Laboratory. Des chercheurs de la division des sciences des matériaux d'Argonne et de la Northwestern University ont développé le grand, cristaux centimétriques nécessaires aux mesures neutroniques.

La diffusion des neutrons a confirmé le schéma imprévu observé dans l'expérience de diffusion des rayons X, mais a montré, en outre, qu'il ne faut presque pas d'énergie pour que les molécules oscillent en deux dimensions. Cela aide à expliquer pourquoi les électrons excités peuvent déformer le réseau si facilement.

« Ce travail est un bel exemple de la complémentarité des neutrons et des rayons X pour révéler à la fois la structure et la dynamique des matériaux complexes, " dit Osborn, qui a participé aux deux séries de mesures.

L'étude représente une étape vers la pleine exploitation de l'énergie renouvelable largement inexploitée du soleil, ce qui pourrait avoir un impact significatif sur l'environnement et l'économie.