Les gens peuvent être bons pour cacher la tension, et nous ne sommes pas seuls. Les cellules solaires ont le même talent. Pour une cellule solaire, la contrainte physique au sein de sa structure cristalline microscopique peut interrompre sa fonction principale - convertir la lumière du soleil en électricité - en "perdant" essentiellement de l'énergie sous forme de chaleur. Pour un type émergent de cellule solaire, connu sous le nom de pérovskites aux halogénures de plomb, réduire et maîtriser cette perte est essentiel pour améliorer l'efficacité et mettre les pérovskites au même niveau que les cellules solaires au silicium d'aujourd'hui.

Afin de comprendre où la contrainte s'accumule dans une cellule solaire et déclenche la perte d'énergie, les scientifiques doivent visualiser la structure granulaire sous-jacente des cristaux de pérovskite dans la cellule solaire. Mais la meilleure approche consiste à bombarder la cellule solaire avec des électrons à haute énergie, qui brûle essentiellement la cellule solaire et la rend inutilisable.

Des chercheurs de l'Université de Washington et de l'Institut FOM de physique atomique et moléculaire aux Pays-Bas ont mis au point un moyen d'éclairer la contrainte dans les cellules solaires à pérovskite aux halogénures de plomb sans les endommager. Leur approche, publié en ligne le 10 septembre dans Joule , a réussi à imager la structure granulaire d'une cellule solaire à pérovskite, montrant que la désorientation entre les cristaux de pérovskite microscopiques est le principal contributeur à l'accumulation de contraintes dans la cellule solaire. La désorientation du cristal crée des défauts à petite échelle dans la structure du grain, qui interrompent le transport des électrons à l'intérieur de la cellule solaire et entraînent des pertes de chaleur par un processus connu sous le nom de recombinaison non radiative.

« En combinant notre imagerie optique avec le nouveau détecteur d'électrons développé au FOM, nous pouvons réellement voir comment les cristaux individuels sont orientés et assemblés dans une cellule solaire à pérovskite, " a déclaré l'auteur principal David Ginger, professeur de chimie à l'UW et scientifique en chef au Clean Energy Institute basé à UW. "Nous pouvons montrer que la contrainte s'accumule en raison de l'orientation du grain, qui sont des informations que les chercheurs peuvent utiliser pour améliorer la synthèse de la pérovskite et les processus de fabrication afin de réaliser de meilleures cellules solaires avec une contrainte minimale et donc une perte de chaleur minimale due à une recombinaison non radiative. »

Les pérovskites aux halogénures de plomb sont bon marché, des composés cristallins imprimables prometteurs comme peu coûteux, alternatives adaptables et efficaces aux cellules solaires au silicium ou à l'arséniure de gallium qui sont largement utilisées aujourd'hui. Mais même les meilleures cellules solaires à pérovskite perdent de l'électricité sous forme de chaleur à des endroits microscopiques dispersés à travers la cellule, ce qui réduit l'efficacité.

Les scientifiques utilisent depuis longtemps la microscopie à fluorescence pour identifier les emplacements sur la surface des cellules solaires à pérovskite qui réduisent l'efficacité. Mais pour identifier les emplacements des défauts causant la perte de chaleur, les chercheurs doivent imager la véritable structure du grain du film, selon le premier auteur Sarthak Jariwala, un étudiant au doctorat de l'UW en science et ingénierie des matériaux et un boursier diplômé du Clean Energy Institute.

« Historiquement, il n'a pas été possible d'imager la véritable structure de grain sous-jacente de la cellule solaire sans endommager la cellule solaire, " dit Jariwala.

Les approches typiques pour visualiser la structure interne utilisent une forme de microscopie électronique appelée diffraction par rétrodiffusion électronique, qui brûlerait normalement la cellule solaire. Mais les scientifiques de l'Institut FOM de physique atomique et moléculaire, dirigé par les co-auteurs Erik Garnett et Bruno Ehrler, développé un détecteur amélioré capable de capturer des images de diffraction par rétrodiffusion d'électrons à des temps d'exposition plus courts, préserver la structure des cellules solaires.

Les images de cellules solaires à pérovskite du laboratoire de Ginger révèlent une structure de grain qui ressemble à un lit de lac asséché, avec des "fissures" représentant les limites entre des milliers de grains de pérovskite individuels. En utilisant ces données d'imagerie, les chercheurs ont pu pour la première fois cartographier l'orientation 3D des cristaux dans une cellule solaire pérovskite fonctionnelle. Ils pourraient également déterminer où le désalignement entre les cristaux a créé une tension.

Lorsque les chercheurs ont superposé des images de la structure du grain de la pérovskite avec des centres de recombinaison non radiative, que Jariwala a imagé par microscopie à fluorescence, ils ont découvert que la recombinaison non radiative pouvait également se produire loin des limites visibles.

"Nous pensons que la déformation déforme localement la structure pérovskite et provoque des défauts, " a déclaré Ginger. " Ces défauts peuvent alors perturber le transport du courant électrique au sein de la cellule solaire, provoquant une recombinaison non radiative, même ailleurs sur la surface."

Alors que l'équipe de Ginger a déjà développé des méthodes pour "guérir" certains de ces défauts qui servent de centres de recombinaison non radiative dans les cellules solaires à pérovskite, idéalement, les chercheurs aimeraient développer des méthodes de synthèse de pérovskite qui réduiraient ou élimineraient complètement la recombinaison non radiative.

« Maintenant, nous pouvons explorer des stratégies telles que le contrôle de la taille et de l'orientation des grains au cours du processus de synthèse de la pérovskite, ", a déclaré Ginger. "Ce pourraient être des moyens de réduire la désorientation et la tension et d'empêcher la formation de défauts en premier lieu."