Distribution du courant d'obscurité résolue spatialement. a Topographie de surface et b distribution de courant d'obscurité correspondante cartographiée sur le film BiFeO3 (60 nm)/La0.7Sr0.3MnO3 (5 nm)/LaAlO3 sans aucune illumination. Barre d'échelle 500 nm. c Comparaison du courant d'obscurité et du profil de morphologie de surface de la zone marquée par la flèche bleue en (a). Le courant est acquis en appliquant 2 V à l'électrode inférieure avec la pointe conductrice pratiquement mise à la terre. Source :Ming-Min Yang et al. Conduction locale à gradient de contrainte dans les films de ferrite de bismuth contraints, Communication Nature (2019). DOI :10.1038/s41467-019-10664-5
Les cellules solaires et les technologies de détection de lumière pourraient être rendues plus efficaces en tirant parti d'une propriété inhabituelle due aux déformations et aux défauts de leurs structures.
Des chercheurs du département de physique de l'Université de Warwick ont découvert que le gradient de contrainte (c'est-à-dire la contrainte non homogène) dans les cellules solaires, par la force physique ou induite pendant le processus de fabrication, peut empêcher les porteurs photo-excités de se recombiner, conduisant à une meilleure efficacité de conversion de l'énergie solaire. Les résultats de leurs expériences ont été publiés dans Communication Nature .
L'équipe de scientifiques a utilisé un film mince épitaxié de BiFeO3 cultivé sur un substrat de LaAlO3 pour déterminer l'impact de la déformation non homogène sur la capacité du film à convertir la lumière en électricité en examinant comment son gradient de contrainte affecte sa capacité à séparer les porteurs photo-excités.
La plupart des cellules solaires commerciales sont formées de deux couches créant à leur frontière une jonction entre deux types de semi-conducteurs, type p avec porteurs de charge positifs (lacunes d'électrons) et type n avec porteurs de charge négatifs (électrons). Lorsque la lumière est absorbée, la jonction des deux semi-conducteurs entretient un champ interne divisant les porteurs photo-excités dans des sens opposés, générer un courant et une tension à travers la jonction. Sans de telles jonctions, l'énergie ne peut pas être récupérée et les porteurs photo-excités se recombinent simplement rapidement en éliminant toute charge électrique.
Distribution du photocourant résolue spatialement. a Topographie de surface et b distribution du photocourant caractérisées sous illumination sur une couche mince de BiFeO3/LaAlO3 de 100 nm d'épaisseur; Barre d'échelle 500 nm. c Comparaison de profil entre le photocourant et la morphologie de surface de la zone marquée par la flèche bleue en (a). Le photocourant est acquis sous l'éclairement d'une lumière de 405 nm avec une intensité de 1 W cm-2. La polarisation est appliquée à une électrode de Pt latérale évaporée à la surface du film de BiFeO3 avec la pointe conductrice pratiquement mise à la terre. Source :Ming-Min Yang et al. Conduction locale à gradient de contrainte dans les films de ferrite de bismuth contraints, Communication Nature (2019). DOI :10.1038/s41467-019-10664-5
Ils ont découvert que le gradient de contrainte peut aider à empêcher la recombinaison en séparant les trous d'électrons excités par la lumière, l'amélioration de l'efficacité de conversion des cellules solaires. Le film BiFeO3/LaAlO3 présentait également des effets photoélectriques intéressants, comme la photoconductivité persistante (conductivité électrique améliorée). Il a des applications potentielles dans les capteurs de lumière UV, actionneurs et transducteurs.
Le Dr Mingmin Yang de l'Université de Warwick a déclaré :« Ce travail a démontré le rôle critique du gradient de contrainte dans la médiation des propriétés photoélectriques locales, ce qui est largement négligé auparavant. En concevant des technologies photoélectriques pour tirer parti du gradient de contrainte, nous pouvons potentiellement augmenter l'efficacité de conversion des cellules solaires et améliorer la sensibilité des capteurs de lumière.
"Un autre facteur à considérer est les limites de grains dans les cellules solaires polycristallines. En général, les défauts s'accumulent aux joints de grains, qui induirait une recombinaison photo-porteuse, limiter l'efficacité. Cependant, dans certaines cellules solaires polycristallines, comme les cellules solaires CdTe, les joints de grains favoriseraient la collecte des photo-porteurs, où le gradient de déformation géant pourrait jouer un rôle important. Par conséquent, nous devons prêter attention au gradient de déformation local lorsque nous étudions les relations structure-propriétés dans les cellules solaires et les matériaux des capteurs de lumière."
Précédemment, l'effet de cette contrainte sur l'efficacité était considéré comme négligeable. Avec la miniaturisation croissante des technologies, l'effet du gradient de contrainte est amplifié à des tailles plus petites. Ainsi, en réduisant la taille d'un appareil utilisant l'un de ces films, l'amplitude du gradient de déformation augmente considérablement.
Le Dr Yang ajoute :" L'effet induit par le gradient de contrainte, comme l'effet flexo-photovoltaïque, migration ionique, etc, serait de plus en plus important à de faibles dimensions."
