En une seule journée, suffisamment de lumière solaire frappe la Terre pour alimenter le monde pendant une année entière, c'est-à-dire si nous pouvons trouver un moyen de capter cette énergie à moindre coût et efficacement. Alors que le coût de l'énergie solaire a considérablement diminué, les cellules solaires actuelles à base de silicium sont coûteuses et énergivores à fabriquer, ce qui incite les chercheurs à rechercher des alternatives.

Les cellules solaires à pérovskite sont un candidat de choix pour la prochaine génération de cette énergie renouvelable. Ces matériaux synthétiques sont moins chers et nécessitent moins d'énergie pour être produits, mais se situent derrière de nombreuses cellules à base de silicium en termes de stabilité et d'efficacité. Maintenant, un article publié dans Nature Communications des groupes d'Andrew M. Rappe de l'Université de Pennsylvanie et de Yueh-Lin Loo de l'Université de Princeton donne un aperçu de la façon dont la composition moléculaire de certains pérovskites pourrait affecter leur efficacité et offre une voie vers de meilleures cellules solaires en utilisant une métrique simple.

"Le monde a actuellement besoin de cellules photovoltaïques plus efficaces et plus rentables, et les PV hybrides pérovskites 3D ont pris d'assaut le monde", déclare Rappe, professeur au département de chimie de Penn, qui codirige également le programme VIPER de Penn. "Mais ils sont irréversiblement endommagés par l'eau, ce qui est un obstacle pour les applications pratiques. L'insertion de plans moléculaires organiques entre des plans de pérovskite hybrides 2D est un schéma prometteur pour fournir des cellules solaires efficaces, peu coûteuses et robustes."

Dans cette étude, les chercheurs ont étudié une certaine classe de pérovskites appelées pérovskites hybrides 2D. Par rapport aux pérovskites constituées de cristaux 3D, celles-ci ont tendance à être plus stables, construites comme du baklava moléculaire avec des couches alternées de molécules à base de métal et de carbone. La couche à base de métal, appelée couche inorganique, interagit avec la lumière pour produire de l'électricité et est plus efficace lorsque ses atomes s'alignent correctement. La couche à base de carbone, ou organique, est composée de molécules chargées positivement qui équilibrent la couche inorganique chargée négativement.

Initialement, l'équipe de Princeton a préparé un ensemble de pérovskites 2D avec différentes molécules organiques, étudiant comment ces molécules affectaient l'alignement de la couche inorganique et l'efficacité des cellules solaires. En particulier, ils ont examiné une classe de molécules organiques courtes et flexibles, chacune avec une charge positive à une extrémité. Ils ont remarqué que le type de molécule influençait la structure et l'efficacité énergétique des cellules solaires mais ne savaient pas exactement pourquoi ni comment. Ils avaient besoin d'un aperçu atomistique pour compléter les résultats expérimentaux et les hypothèses. Cela aiderait à expliquer les hautes performances du système.

Ils ont donc contacté Rappe et Arvin Kakekhani, alors postdoctorant dans le groupe Rappe, experts dans l'utilisation des ordinateurs pour modéliser les interactions chimiques. "[Les chercheurs de Princeton] sont des expérimentateurs très intelligents et avaient une grande perspicacité au niveau expérimental", explique Kakekhani. "Mais ils avaient besoin de connaissances et de perspicacité au niveau atomique et moléculaire." C'est précisément le genre de travail dans lequel excelle le laboratoire Rappe, ayant précédemment collaboré avec le groupe Loo pour modéliser d'autres matériaux pérovskites dans le cadre d'une rationalisation de leurs propriétés mécaniques.

À partir des calculs de mécanique quantique et des travaux de modélisation de charge actuels, Kakekhani et Rappe ont découvert que les molécules de la couche organique pouvaient interagir les unes avec les autres, s'alignant par paires ou en zigzags entre les couches à base de métal des pérovskites.

Lors de la formation de ces paires ou zigzags, les molécules organiques ont moins interagi avec la couche à base de métal, donnant à la couche l'espace nécessaire pour s'aligner correctement et améliorant les performances des cellules solaires résultantes. Plus les molécules organiques pourraient facilement s'apparier et s'écarter de la couche inorganique, meilleure serait l'efficacité de la cellule solaire résultante.

Cette observation à elle seule a permis de mieux comprendre comment fabriquer de meilleures pérovskites. Mais Kakekhani s'est demandé s'il pouvait trouver un moyen de capturer ce phénomène dans une valeur simple décrivant l'interaction entre les couches organiques et inorganiques. Après avoir testé divers modèles, il a atterri sur celui qui décrivait à quelle distance les interactions dans la couche organique tiraient la charge positive de la couche inorganique. Il l'a ensuite testé pour voir s'il pouvait prédire à quel point la couche inorganique s'alignerait et à quel point les cellules solaires pourraient fonctionner.

Plutôt que d'adapter un modèle à l'aide des données de l'expérience, il a choisi de le construire uniquement en utilisant la compréhension mathématique et physique de la façon dont les produits chimiques interagissent. C'est ce qu'on appelle la modélisation des matériaux selon les premiers principes.

Ces types de modèles ont souvent du mal à reproduire avec précision les résultats du monde réel, car ils peuvent être trop simples, ne considérant qu'un petit sous-ensemble de phénomènes possibles impliqués dans une expérience complexe. La modélisation des premiers principes devient plus puissante lorsqu'elle peut donner un aperçu physique et améliorer la compréhension de la façon de réduire un problème complexe à un problème plus simple sans trop nuire à la fidélité du modèle.

Dans ce cas, Kakekhani a prédit les tendances réelles avec une fidélité étonnamment élevée. En termes mathématiques, son modèle donne un coefficient de détermination de> 0,95, une corrélation linéaire presque parfaite. "Je n'avais jamais vu une correspondance aussi parfaite entre les modèles de premiers principes et les observables expérimentaux complexes auparavant", déclare Kakekhani. "Connecter un modèle qui se trouve dans un ordinateur et ne sait rien de l'expérience à de la matière réelle avec toutes sortes de défauts et des structures à plus grande échelle, c'était vraiment surprenant."

Étant donné que cette métrique n'a besoin que d'un ordinateur pour prédire les performances des cellules solaires, elle pourrait permettre aux scientifiques de choisir les molécules qui fonctionneraient le mieux dans les pérovskites avant d'entrer en laboratoire, aidant ainsi les chercheurs à concentrer leurs efforts sur les candidats les plus prometteurs. "Il y a littéralement des millions de molécules que les gens pourraient essayer. Mais ce n'est pas si facile de fabriquer des millions de cellules solaires", explique Rappe. "Cela donne aux gens une règle de notation simple, où ils pourraient analyser si une molécule qu'ils envisagent est susceptible d'améliorer la productivité de la cellule solaire."

À l'avenir, Rappe affirme que ces informations pourraient également être utiles pour les LED à pérovskite. Si ces pérovskites peuvent transformer efficacement la lumière en énergie, elles devraient être capables de faire quelque chose de similaire lorsqu'elles transforment l'énergie en lumière. Les groupes prévoient de voir si le même modèle s'applique à différentes couches inorganiques et à une gamme plus large de molécules organiques, ou si d'autres facteurs doivent être pris en compte pour modéliser avec précision la pérovskite.

Pour l'instant, cependant, le modèle utilise une valeur pour prédire les performances d'une cellule solaire complexe, et la simplicité du modèle est sa force, explique Kakekhani. "La simplicité crée une perspicacité, et cette perspicacité peut vraiment créer de grandes avancées scientifiques car elle pénètre dans la partie créative non linéaire de votre cerveau. Elle y reste et vous aide à trouver toutes sortes d'intuitions." + Explorer plus loin

L'équipe démontre une grande promesse de cellules solaires à pérovskite entièrement inorganiques pour améliorer l'efficacité des cellules solaires