Un matériau à structure cristalline pérovskite est devenu très populaire pour les cellules solaires. Alors que la plupart des pérovskites sont des composés inorganiques, ce nouveau matériau est un hybride de matériaux organiques et inorganiques relativement bon marché. En quelques années seulement, les chercheurs ont atteint une efficacité de conversion de puissance remarquable avec ces pérovskites, comparable aux meilleurs matériaux photovoltaïques disponibles.
Maintenant, Des chercheurs japonais ont révélé la physique du fonctionnement d'un composant important d'une cellule solaire à pérovskite, une découverte qui pourrait conduire à des cellules solaires améliorées ou même à des matériaux plus récents et de meilleure qualité. Ils décrivent leurs expériences dans le numéro de cette semaine du journal Lettres de physique appliquée .
"Les principales études se sont concentrées sur l'amélioration de l'efficacité [des cellules solaires] [avec la pérovskite], ", a déclaré Kazuhiro Marumoto de l'Université de Tsukuba. "Mais le mécanisme microscopique derrière [comment] ces cellules solaires [utilisant les pérovskites] n'a pas été complètement étudié. "
Les cellules solaires fonctionnent en convertissant l'énergie lumineuse en électricité. Quand un photon frappe la pérovskite, par exemple, il lâche un électron. Le vide laissé par l'électron s'appelle un trou, et agit comme une particule chargée positivement. Le mouvement ultérieur des électrons et des trous est ce qui génère du courant électrique.
Parce que la pérovskite elle-même ne conduit pas très bien le mouvement des trous, les cellules solaires nécessitent une couche supplémentaire d'un matériau de transport de trous pour faciliter la circulation du courant. Un matériau de transport de trous commun est un composé appelé spiro-OMeTAD. Pour booster encore plus le courant, les chercheurs ajoutent un sel de lithium appelé LiTFSI au spiro-OMeTAD. Ce processus est appelé « dopage ».
Spiro-OMeTAD est un matériau amorphe, ce qui lui confère des propriétés uniques. La plupart des matériaux solides ont des bandes d'énergie électronique bien définies dans lesquelles les électrons et les trous peuvent se déplacer pour se déplacer à travers le matériau. Cristaux, par exemple, ont souvent des structures de bande qui permettent un flux symétrique d'électrons et de trous. Mais les matériaux amorphes ne le font pas.
En raison de cette structure de bande asymétrique, les trous peuvent avoir du mal à traverser un matériau amorphe car ils peuvent être piégés dans un niveau d'énergie particulier. Mais, selon la théorie, le dopage spiro-OMeTAD avec LiTFSI empêche les trous de se coincer.
Des paires d'électrons occupent chaque niveau d'énergie dans spiro-OMeTAD. Mais lorsque LiTFSI est introduit, un de ces électrons est supprimé, laissant un trou à sa place. La présence de ce trou empêche d'autres trous de rester bloqués à ce niveau d'énergie, leur permettant de se déplacer librement et de générer du courant électrique.
Précédemment, personne n'a confirmé ce processus. Mais Marumoto et ses collègues ont maintenant utilisé la spectroscopie par résonance de spin électronique (ESR) pour montrer que ce mécanisme est, En réalité, responsable de l'amélioration de la capacité de spiro-OMeTAD à transporter le courant.
La spectroscopie ESR mesure le spin de simple, électrons non appariés, c'est ce qui est créé lorsque spiro-OMeTAD est dopé avec LiTFSI. Dans des expériences sans lumière, les chercheurs ont découvert que le nombre de spins électroniques dans spiro-OMeTAD augmentait de deux ordres de grandeur après avoir été dopé, confirmant l'effet du LiTFSI.
Pour voir comment le dopage affecte l'efficacité d'une cellule solaire pérovskite/spiro-OMeTAD, les chercheurs ont ensuite mené leurs expériences sur les deux matériaux superposés, avec les lumières allumées. La lumière induit le transfert des trous de la pérovskite vers la spiro-OMeTAD et génère un courant électrique. Les chercheurs ont découvert que le dopage stimulait ce transfert de trous, démontrant comment LiTFSI améliore l'efficacité d'une cellule solaire.
