Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Yabing Qi de l'Unité des matériaux énergétiques et des sciences de surface de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) au Japon a imagé les atomes à la surface de la couche absorbant la lumière dans un nouveau type de cellules solaires de nouvelle génération, fabriqué à partir d'un matériau cristallin appelé pérovskite aux halogénures métalliques.

Leurs découvertes, rapporté dans le journal Sciences de l'énergie et de l'environnement , ont résolu un mystère de longue date dans le domaine de la technologie de l'énergie solaire, montrant comment le chlore, qui augmente la puissance et améliore la stabilité, est incorporé dans le matériau pérovskite.

Dans un monde désormais alimenté par un besoin de propreté, énergie verte, L'énergie solaire est une voie vitale pour sortir de la crise climatique. Et les pérovskites aux halogénures métalliques sont le matériau d'avenir que de nombreux chercheurs espèrent un jour éclipser ou compléter les cellules solaires au silicium qui dominent actuellement le marché.

"Les pérovskites ont le potentiel d'être moins chères, plus performant et plus polyvalent que le silicium, " a déclaré le premier auteur, le Dr Afshan Jamshaid, un ancien Ph.D. étudiant dans l'Unité Matériaux Energie et Sciences des Surfaces de l'OIST.

Mais actuellement, les cellules solaires à pérovskite souffrent de problèmes d'efficacité, montée en gamme et stabilité, les empêchant de commercialiser. Hautes températures, l'humidité et la lumière UV peuvent dégrader le matériau pérovskite, réduire la façon dont il peut convertir l'énergie lumineuse en énergie, expliqua le Dr Jamshaid.

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs se sont concentrés intensément sur la résolution de ces problèmes. Une façon d'améliorer les cellules solaires à pérovskite a été d'utiliser des dopants, de petites traces d'un autre produit chimique qui sont ajoutées au cours du processus de fabrication de la couche de cristal de pérovskite. Les dopants modifient les propriétés physiques et chimiques du matériau, augmentant la stabilité et l'efficacité du dispositif solaire.

L'un de ces dopants est le chlore, qui a été montré pour augmenter la durée de vie des cellules solaires à pérovskite et améliorer leur efficacité de conversion d'énergie. Mais jusqu'à maintenant, comment ce dopant fonctionnait était un casse-tête.

« La communauté des chercheurs n'avait aucune idée de la raison pour laquelle elles voyaient ces améliorations. Une fois ajoutées, les chercheurs ne pouvaient pas suivre le chlore - ils ne pouvaient pas dire si le chlore était incorporé profondément dans le matériau pérovskite, resté à la surface ou même laissé le matériau pendant le processus de fabrication, " a déclaré le Dr Jamshaid. " Environ 50% de la communauté croyait que le chlore était présent, mais les autres 50% de la communauté ne l'ont pas fait."

Dans l'étude, le groupe de recherche a finalement tranché le débat en créant des couches minces de pérovskite aux halogénures métalliques, iodure de plomb méthylammonium, qui ont été dopés au chlore. Ils ont utilisé une microscopie à effet tunnel à balayage de pointe pour imager la surface de la couche de pérovskite.

"Ce n'est qu'en zoomant jusqu'au niveau atomique que nous avons finalement pu détecter que le chlore était vraiment là, juste à une très faible concentration, " a déclaré le Dr Jamshaid.

L'équipe a découvert qu'il y avait des dépressions sombres à la surface qui n'étaient pas visibles dans les films de pérovskite d'iodure de plomb de méthylammonium pur.

Grâce à des calculs théoriques effectués par les collaborateurs le professeur Wanjian Yin et le Dr Zhendong Guo à l'université de Soochow en Chine, les chercheurs ont conclu que ces dépressions sombres signifient où le chlore, qui est de plus petite taille, a remplacé l'iode faiblement lié dans la structure cristalline de la pérovskite.

Le groupe de recherche a également remarqué que davantage de ces indentations sombres se produisaient autour des joints de grains dans le film de pérovskite.

La couche de pérovskite n'est pas un réseau cristallin uniforme, mais est plutôt composé de nombreux grains de cristal différents. C'est à cause de ces fissures entre les grains, appelés joints de grains, que la pérovskite est intrinsèquement si instable.

"La plupart des dégradations dues à la lumière UV, la température ou l'humidité se produit à ces limites de grain, comme les ions ici sont beaucoup plus lâchement liés, " a déclaré le Dr Jamshaid.

L'équipe soupçonne que la présence accrue de chlore autour de ces joints de grains peut expliquer la stabilité et l'efficacité accrues du matériau, en réduisant le nombre de défauts en surface.

Surtout, les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils variaient la concentration de chlore dans le film de pérovskite en modifiant la durée de dépôt du chlore, la structure de surface et les propriétés électroniques du matériau ont également changé.

Au temps de dépôt le plus court, l'équipe n'a pas pu détecter de chlore à la surface du matériau pérovskite. Et au temps de dépôt le plus long, le chlore a formé une couche supplémentaire d'ions au-dessus de la pérovskite qui a radicalement changé les propriétés électroniques.

Les chercheurs ont pu déterminer un temps de dépôt intermédiaire qui a atteint le point idéal - en fournissant une concentration optimale de chlore - environ 14,8% - à la surface. Cette concentration a donné au matériau pérovskite une grande stabilité.

La prochaine étape pour l'équipe de recherche est de fabriquer une cellule solaire complète qui contient une couche de pérovskite dopée avec cette concentration optimale de chlore.

"C'est pourquoi des études fondamentales comme celles-ci sont si importantes - elles aident les ingénieurs d'appareils à identifier le processus de fabrication le plus optimal sans autant d'essais et d'erreurs, " a déclaré le Dr Jamshaid. " En comprenant comment les dopants améliorent le matériau, cela peut également nous guider vers de nouveaux mélanges chimiques qui pourraient fonctionner encore mieux. »