Les panneaux solaires, également appelés photovoltaïques, reposent sur des dispositifs à semi-conducteurs, ou cellules solaires, pour convertir l'énergie du soleil en électricité.

Pour générer de l'électricité, les cellules solaires ont besoin d'un champ électrique pour séparer les charges positives des charges négatives. Pour obtenir ce champ, les fabricants dopent généralement la cellule solaire avec des produits chimiques afin qu'une couche de l'appareil porte une charge positive et une autre couche une charge négative. Cette conception multicouche garantit que les électrons circulent du côté négatif d'un appareil vers le côté positif, un facteur clé de la stabilité et des performances de l'appareil. Mais le dopage chimique et la synthèse en couches ajoutent également des étapes supplémentaires coûteuses dans la fabrication des cellules solaires.

Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE, en collaboration avec l'UC Berkeley, a démontré une solution de contournement unique qui offre une approche plus simple de la fabrication de cellules solaires :un matériau solaire cristallin avec un champ électrique - une propriété rendue possible par ce que les scientifiques appellent la "ferroélectricité". Le matériel a été rapporté plus tôt cette année dans la revue Science Advances .

Le nouveau matériau ferroélectrique, qui est développé en laboratoire à partir de tribromure de césium-germanium (CsGeBr₃ ou CGB) - ouvre la porte à une approche plus simple de la fabrication de dispositifs à cellules solaires. Contrairement aux matériaux solaires conventionnels, les cristaux CGB sont intrinsèquement polarisés, où un côté du cristal accumule des charges positives et l'autre côté accumule des charges négatives, aucun dopage requis.

En plus d'être ferroélectrique, le CGB est également une "pérovskite halogénée" sans plomb, une classe émergente de matériaux solaires qui a intrigué les chercheurs pour leur prix abordable et leur facilité de synthèse par rapport au silicium. Mais bon nombre des pérovskites aux halogénures les plus performantes contiennent naturellement l'élément plomb. Selon d'autres chercheurs publiant dans Materials Today Energy en 2017, les restes de plomb provenant de la production et de l'élimination des matériaux solaires pérovskites pourraient contaminer l'environnement et poser des problèmes de santé publique. Pour ces raisons, les chercheurs ont recherché de nouvelles formulations de pérovskite aux halogénures qui évitent le plomb sans compromettre les performances.

"Si vous pouvez imaginer un matériau solaire sans plomb qui non seulement récupère l'énergie du soleil, mais a également l'avantage supplémentaire d'avoir un champ électrique formé naturellement et spontanément, les possibilités dans les industries de l'énergie solaire et de l'électronique sont assez excitantes", a déclaré co-auteur principal Peidong Yang, un expert de premier plan des nanomatériaux connu pour son travail de pionnier dans les nanofils semi-conducteurs unidimensionnels pour les nouvelles technologies de cellules solaires et la photosynthèse artificielle. Il est chercheur principal dans la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de chimie et de science et ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley.

CGB pourrait également faire progresser une nouvelle génération d'appareils de commutation, de capteurs et de mémoires super stables qui réagissent à la lumière, a déclaré le co-auteur principal Ramamoorthy Ramesh, qui détenait les titres de scientifique principal de la division des sciences des matériaux de Berkeley Lab et professeur de science des matériaux et ingénieur à l'UC Berkeley au moment de l'étude et est maintenant vice-président de la recherche à l'Université Rice.

Les films solaires de pérovskite sont généralement fabriqués à l'aide de méthodes de revêtement en solution à faible coût, telles que le revêtement par centrifugation ou l'impression à jet d'encre. Et contrairement au silicium, qui nécessite une température de traitement d'environ 2 732 degrés Fahrenheit pour être transformé en un dispositif solaire, les pérovskites sont facilement traitées à partir d'une solution à température ambiante jusqu'à environ 300 degrés Fahrenheit - et pour les fabricants, ces températures de traitement plus basses réduiraient considérablement les coûts énergétiques.

Mais malgré leur potentiel d'impulsion pour le secteur de l'énergie solaire, les matériaux solaires pérovskites ne seront pas prêts pour le marché tant que les chercheurs n'auront pas surmonté les défis de longue date en matière de synthèse et de stabilité des produits, et de durabilité des matériaux.

Identifier la pérovskite ferroélectrique parfaite

Les pérovskites cristallisent à partir de trois éléments différents; et chaque cristal de pérovskite est délimité par la formule chimique ABX₃

La plupart des matériaux solaires pérovskites ne sont pas ferroélectriques car leur structure atomique cristalline est symétrique, comme un flocon de neige. Au cours des deux dernières décennies, des chercheurs dans le domaine des énergies renouvelables comme Ramesh et Yang ont été à la recherche de pérovskites exotiques à potentiel ferroélectrique, en particulier de pérovskites asymétriques.

Il y a quelques années, le premier auteur Ye Zhang, qui était à l'époque un étudiant diplômé de l'UC Berkeley dans le laboratoire de Yang, s'est demandé comment elle pourrait fabriquer une pérovskite ferroélectrique sans plomb. Elle a émis l'hypothèse que placer un atome de germanium au centre d'une pérovskite déformerait sa cristallinité juste assez pour engendrer de la ferroélectricité. De plus, une pérovskite à base de germanium libérerait la matière du plomb. (Zhang est maintenant chercheur postdoctoral à la Northwestern University.)

Mais même si Zhang s'était concentré sur le germanium, il y avait encore des incertitudes. Après tout, évoquer la meilleure formule de pérovskite ferroélectrique sans plomb, c'est comme trouver une aiguille dans une botte de foin. Il existe des milliers de formulations possibles.

So Yang, Zhang et leur équipe se sont associés à Sinéad Griffin, un scientifique de la division Fonderie moléculaire et sciences des matériaux du Berkeley Lab, spécialisé dans la conception de nouveaux matériaux pour diverses applications, notamment l'informatique quantique et la microélectronique.

Avec le soutien du projet sur les matériaux, Griffin a utilisé des supercalculateurs au Centre national de calcul scientifique pour la recherche énergétique (NERSC) pour effectuer des calculs théoriques avancés basés sur une méthode connue sous le nom de théorie de la fonctionnelle de la densité.

Grâce à ces calculs, qui prennent en compte la structure atomique et les espèces chimiques et peuvent prédire des propriétés telles que la structure électronique et la ferroélectricité, Griffin et son équipe se sont concentrés sur CGB, la seule pérovskite entièrement inorganique qui a coché toutes les cases sur les chercheurs. Liste de souhaits pour la pérovskite ferroélectrique :est-elle asymétrique ? Oui, sa structure atomique ressemble à un rhomboèdre, le cousin tordu du rectangle. Est-ce vraiment une pérovskite ? Oui, sa formule chimique—CeGeBr₃ – correspond à la structure révélatrice de la pérovskite d'ABX₃ .

Les chercheurs ont émis l'hypothèse que le placement asymétrique du germanium au centre du cristal créerait un potentiel qui, comme un champ électrique, sépare les électrons positifs des électrons négatifs pour produire de l'électricité. Mais avaient-ils raison ?

Mesurer le potentiel ferroélectrique de CGB

Pour le savoir, Zhang a fait pousser de minuscules nanofils (de 100 à 1 000 nanomètres de diamètre) et des nanoplaques (d'environ 200 à 600 nanomètres d'épaisseur et 10 microns de large) de CGB monocristallin avec un contrôle et une précision exceptionnels.

"Mon laboratoire essaie de comprendre comment remplacer le plomb par des matériaux moins toxiques depuis de nombreuses années", a déclaré Yang. "Vous avez développé une technique étonnante pour faire pousser des pérovskites monocristallines aux halogénures de germanium, et c'est une belle plate-forme pour étudier la ferroélectricité."

Des expériences de rayons X à la source de lumière avancée ont révélé la structure cristalline asymétrique de CGB, un signal de ferroélectricité. Les expériences de microscopie électronique menées par Xiaoqing Pan à l'UC Irvine ont révélé d'autres preuves de la ferroélectricité de CGB :une structure atomique "déplacée" compensée par le centre du germanium.

Pendant ce temps, des expériences de mesure électrique menées dans le laboratoire Ramesh par Zhang et Eric Parsonnet, un chercheur étudiant diplômé en physique de l'UC Berkeley et co-auteur de l'étude, ont révélé une polarité commutable dans CGB, satisfaisant encore une autre exigence de ferroélectricité.

Mais une dernière expérience - des mesures de photoconductivité dans le laboratoire de Yang à l'UC Berkeley - a donné un résultat délicieux et une surprise. Les chercheurs ont découvert que l'absorption de la lumière de CGB est réglable, couvrant le spectre de la lumière visible à ultraviolette (1,6 à 3 électrons volts), une plage idéale pour obtenir des rendements de conversion d'énergie élevés dans une cellule solaire, a déclaré Yang. Une telle accordabilité est rarement trouvée dans les ferroélectriques traditionnels, a-t-il noté.

Yang dit qu'il reste encore du travail à faire avant que le matériau CGB puisse faire ses débuts dans un appareil solaire commercial, mais il est enthousiasmé par leurs résultats jusqu'à présent. "Ce matériau perovskite ferroélectrique, qui est essentiellement un sel, est étonnamment polyvalent", a-t-il déclaré. "Nous sommes impatients de tester son véritable potentiel dans un véritable appareil photovoltaïque." + Explorer plus loin

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