Les cellules solaires sont vitales pour la transition énergétique verte. Ils peuvent être utilisés non seulement sur les toits et les parcs solaires, mais également pour alimenter des véhicules autonomes, tels que des avions et des satellites. Cependant, les cellules solaires photovoltaïques sont actuellement lourdes et encombrantes, ce qui les rend difficiles à transporter vers des sites éloignés hors réseau, où elles sont indispensables.

Dans une collaboration dirigée par l'Imperial College de Londres, aux côtés de chercheurs de Cambridge, UCL, Oxford, Helmholtz-Zentrum Berlin en Allemagne et d'autres, les chercheurs ont produit des matériaux capables d'absorber des niveaux de lumière solaire comparables à ceux des cellules solaires au silicium conventionnelles, mais avec 10 000 fois moins épaisseur.

Le matériau est du sulfure de bismuth de sodium (NaBiS₂ ), qui est cultivé sous forme de nanocristaux et déposé à partir d'une solution pour former des films de 30 nanomètres d'épaisseur. NaBiS₂ est composé d'éléments non toxiques suffisamment abondants dans la croûte terrestre pour une utilisation commerciale. Par exemple, les composés à base de bismuth sont utilisés pour remplacer le plomb non toxique dans les soudures ou dans les médicaments pour l'estomac en vente libre.

Yi-Teng Huang, Ph.D. étudiant à l'Université de Cambridge et co-premier auteur, a déclaré qu'ils "ont trouvé un matériau qui absorbe la lumière plus fortement que les technologies de cellules solaires conventionnelles et peut être imprimé à partir d'une encre. Cette technologie a le potentiel de fabriquer des cellules solaires légères qui peuvent être facilement transporté ou utilisé dans des applications aérospatiales."

Avantages du trouble et du sodium

Les facteurs critiques de la forte absorption de la lumière sont les effets du désordre et le rôle du sodium.

Les ions sodium et bismuth dans NaBiS₂ ont des tailles similaires, ce qui signifie qu'au lieu d'occuper des sites cristallographiques différents (ordonnés), ils occupent le même site (désordonné). En conséquence, la structure cristalline se transforme en sel gemme, qui ressemble au sel de table. Cependant, le sodium et le bismuth ne sont pas uniformément répartis dans le matériau, et cette (in)homogénéité de désordre entre ces ions a un effet significatif sur la force d'absorption.

Des effets similaires ont été trouvés dans des travaux récents sur AgBiS₂ , mais NaBiS₂ a un début d'absorption de la lumière plus fort et plus net. En effet, le sodium, contrairement à l'argent, ne contribue pas aux états électroniques autour de la bande interdite du semi-conducteur. En conséquence, il y a une concentration plus élevée d'états électroniques disponibles pour l'absorption de la lumière.

Seán Kavanagh, co-premier auteur et Ph.D. étudiant dans les groupes de recherche du professeur Aron Walsh du département des matériaux de l'Impérial et du professeur David Scanlon de l'UCL, a déclaré que "le désordre a longtemps été considéré comme l'ennemi des cellules solaires. Connu pour tuer l'efficacité des matériaux solaires conventionnels comme le silicium ( Si), le tellurure de cadmium (CdTe) et l'arséniure de gallium (GaAs), les chercheurs se sont généralement attachés à l'éviter à tout prix. Ce travail, ainsi que d'autres études récentes de notre groupe et d'autres, montre que ce n'est pas nécessairement le cas."

"Au contraire, si nous pouvons comprendre et contrôler ce désordre, il peut présenter un outil puissant pour ajuster les propriétés des matériaux et produire des performances record dans un large éventail d'applications, pas seulement les cellules solaires, mais aussi les LED et la thermoélectricité, par exemple. C'est un passionnant perspective de recherche sur les matériaux."

Zoom sur un trillionième de seconde

Les chercheurs ont également découvert que le désordre a un effet significatif et inhabituel sur le transport des charges photogénérées dans le matériau. Cela a été étudié à l'aide de techniques spectroscopiques qui sondent les processus se produisant jusqu'à un billionième de seconde (picoseconde), ainsi que de la modélisation informatique.

Ces études ont montré qu'une distribution inhomogène des ions sodium et bismuth entraîne la formation d'états électroniques localisés, qui capturent rapidement les charges. Ces charges vivent dans ces états pendant des dizaines de microsecondes, ce qui est au moins 100 fois plus longtemps que dans d'autres nouveaux semi-conducteurs. Cependant, les charges sont piégées dans ces états et ne peuvent se déplacer qu'en sautant d'un état à l'autre, ce qui limite finalement leur capacité à se déplacer et à être extraites sous forme d'électricité.

Exceptionnellement, les chercheurs ont également découvert que les défauts atomiques jouaient un rôle négligeable dans NaBiS₂ , car le transport des charges est dominé par les effets de ces états localisés. Ces résultats démontrent donc l'importance de contrôler le degré de désordre et de comprendre l'influence sur les états électroniques dans les matériaux.

Les chercheurs ont également trouvé NaBiS₂ être stable dans l'air pendant toute la durée de leur test de 11 mois sans aucune encapsulation requise, ce qui contraste fortement avec d'autres nouveaux matériaux photovoltaïques, tels que les pérovskites aux halogénures de plomb. Cela suggère la durabilité à long terme du matériau des appareils, qui est une exigence clé pour les cellules solaires commerciales.

Beaucoup de nouvelles opportunités

Les chercheurs prévoient que ces découvertes susciteront un plus grand intérêt pour NaBiS₂ et des matériaux similaires, en particulier pour comprendre le rôle du désordre cationique et les interactions entre les charges et le réseau cristallin.

Le Dr Robert Hoye, maître de conférences au département des matériaux de l'Imperial College de Londres et auteur correspondant de l'article, a déclaré que "ce sont des résultats très excitants qui ouvrent de nouvelles voies pour optimiser les propriétés des capteurs d'énergie solaire. NaBiS₂ appartient à une famille de matériaux intrigante, et nous espérons que les nouvelles connaissances générées par nos travaux guideront la découverte et la sélection d'une nouvelle génération de composés photoactifs efficaces et rentables." + Explorer davantage

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