Il y a beaucoup à aimer dans les cellules solaires à base de pérovskite. Ils sont simples et bon marché à produire, offrir une flexibilité qui pourrait débloquer un large éventail de méthodes et de lieux d'installation, et ces dernières années ont atteint des rendements énergétiques approchant ceux des cellules traditionnelles à base de silicium.

Mais trouver comment produire des dispositifs énergétiques à base de pérovskite qui durent plus de quelques mois a été un défi.

Aujourd'hui, des chercheurs du Georgia Institute of Technology, L'Université de Californie à San Diego et le Massachusetts Institute of Technology ont rapporté de nouvelles découvertes sur les cellules solaires à pérovskite qui pourraient ouvrir la voie à des appareils plus performants.

« Les cellules solaires à pérovskite offrent de nombreux avantages potentiels car elles sont extrêmement légères et peuvent être fabriquées avec des substrats en plastique flexibles, " dit Juan-Pablo Correa-Baena, professeur adjoint à la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Pour être en mesure de rivaliser sur le marché avec les cellules solaires à base de silicium, cependant, ils doivent être plus efficaces."

Dans une étude publiée le 8 février dans la revue Science et a été parrainé par le département américain de l'énergie et la National Science Foundation, les chercheurs ont décrit plus en détail les mécanismes par lesquels l'ajout de métaux alcalins aux pérovskites traditionnelles conduit à de meilleures performances.

"Les pérovskites pourraient vraiment changer la donne dans le solaire, " a déclaré David Fenning, professeur de nano-ingénierie à l'Université de Californie à San Diego. "Ils ont le potentiel de réduire les coûts sans renoncer aux performances. Mais il y a encore beaucoup à apprendre fondamentalement sur ces matériaux."

Pour comprendre les cristaux de pérovskite, il est utile de considérer sa structure cristalline comme une triade. Une partie de la triade est typiquement formée à partir de l'élément plomb. Le second est généralement constitué d'un composant organique tel que le méthylammonium, et le troisième est souvent composé d'autres halogénures tels que le brome et l'iode.

Dans les années récentes, les chercheurs se sont concentrés sur le test de différentes recettes pour obtenir de meilleures efficacités, comme l'ajout d'iode et de brome au composant principal de la structure. Plus tard, ils ont essayé de substituer le césium et le rubidium à la partie de la pérovskite typiquement occupée par les molécules organiques.

"Nous savions d'après des travaux antérieurs que l'ajout de césium et de rubidium à une pérovskite de plomb mélangée au brome et à l'iode conduit à une meilleure stabilité et à des performances plus élevées, ", a déclaré Correa-Baena.

Mais on savait peu de choses sur les raisons pour lesquelles l'ajout de ces métaux alcalins améliorait les performances des pérovskites.

Pour comprendre exactement pourquoi cela semblait fonctionner, les chercheurs ont utilisé la cartographie aux rayons X à haute intensité pour examiner les pérovskites à l'échelle nanométrique.

"En regardant la composition dans le matériau pérovskite, nous pouvons voir comment chaque élément individuel joue un rôle dans l'amélioration des performances de l'appareil, " dit Yanqi (Grâce) Luo, un doctorat en nano-ingénierie. étudiant à l'UC San Diego.

Ils ont découvert que lorsque le césium et le rubidium étaient ajoutés au mélange de pérovskite de plomb et de brome et d'iode, il a provoqué un mélange plus homogène du brome et de l'iode, résultant en une efficacité de conversion jusqu'à 2% supérieure à celle des matériaux sans ces additifs.

"Nous avons découvert que l'uniformité de la chimie et de la structure est ce qui aide une cellule solaire à pérovskite à fonctionner à son plein potentiel, " a déclaré Fenning. " Toute hétérogénéité dans cette épine dorsale est comme un maillon faible de la chaîne. "

Toutefois, les chercheurs ont également observé qu'en ajoutant du rubidium ou du césium, le brome et l'iode devenaient plus homogènes, les halogénures eux-mêmes au sein de leur propre cation sont restés assez regroupés, créant des "zones mortes" inactives dans la cellule solaire qui ne produisent pas de courant.

"C'était surprenant, " a déclaré Fenning. "Avoir ces zones mortes tuerait généralement une cellule solaire. Dans d'autres matériaux, ils agissent comme des trous noirs qui aspirent les électrons d'autres régions et ne les lâchent jamais, donc vous perdez du courant et de la tension.

"Mais dans ces pérovskites, nous avons vu que les zones mortes autour du rubidium et du césium n'étaient pas trop préjudiciables aux performances des cellules solaires, bien qu'il y ait eu une perte actuelle, " a déclaré Fenning. " Cela montre à quel point ces matériaux sont robustes, mais aussi qu'il y a encore plus de possibilités d'amélioration. "

Les résultats ajoutent à la compréhension du fonctionnement des dispositifs à base de pérovskite à l'échelle nanométrique et pourraient jeter les bases d'améliorations futures.

"Ces matériaux promettent d'être très rentables et performants, c'est à peu près ce dont nous avons besoin pour nous assurer que les panneaux photovoltaïques sont largement déployés, " Correa-Baena a déclaré. "Nous voulons essayer de compenser les problèmes de changement climatique, donc l'idée est d'avoir des cellules photovoltaïques aussi bon marché que possible."