Les chercheurs ont quantifié les vitesses étonnamment élevées auxquelles les futures cellules solaires devraient fonctionner afin d'étendre ce qui est actuellement considéré comme des limites naturelles à leur efficacité de conversion d'énergie.

L'étude, qui a étudié les dispositifs photovoltaïques basés sur un type de matériaux appelés pérovskites, suggère que ceux-ci pourraient atteindre des niveaux de super-efficacité sans précédent. Mais pour ce faire, ils devront transformer la lumière du soleil en électrons, puis les extraire sous forme de charge électrique en seulement des quadrillions de seconde - quelques "femtosecondes", leur donner leur nom scientifique.

Le déplacement des électrons à cette vitesse ultrarapide permettrait la création de cellules « porteuses chaudes ». Ce sont des cellules solaires qui peuvent produire de l'électricité plus efficacement en utilisant l'énergie cinétique ajoutée que les électrons ont pendant un bref instant juste après leur création, alors qu'ils se déplacent à grande vitesse.

La quantité d'énergie électrique qui peut être extraite d'une cellule porteuse chaude, par rapport à la quantité de lumière absorbée, pourrait potentiellement égaler ou même dépasser un taux d'efficacité énergétique de 30 %. En gros, il s'agit de l'efficacité énergétique maximale que les cellules solaires peuvent atteindre – bien que les cellules au silicium standard aient généralement des rendements plus proches de 20 % dans la pratique.

Malgré les infimes fractions de temps nécessaires, les auteurs du nouvel article disent qu'il est possible que les pérovskites puissent finalement repousser cette barrière d'efficacité.

L'étude, publié dans la revue Communication Nature , a été menée par des universitaires en Italie et au Royaume-Uni. L'équipe britannique a impliqué des chercheurs du groupe de recherche en optoélectronique du Laboratoire Cavendish du professeur Sir Richard Friend, membre du St John's College, Cambridge. L'équipe italienne est basée au Politecnico di Milano dans le groupe du professeur Guilio Cerullo.

Johannes Richter, doctorant dans le groupe Optoélectronique et auteur principal de l'article, a déclaré : « L'échelle de temps que nous avons calculée est maintenant la limite de temps dans laquelle nous devons opérer si nous voulons créer des produits super-efficaces, dispositifs solaires porteurs chauds. Nous aurions besoin d'extraire des électrons avant que ce petit laps de temps ne s'écoule."

"Nous parlons de faire cela extrêmement rapidement, mais il n'est pas impossible que cela puisse arriver. Les cellules pérovskites sont très fines et cela nous donne de l'espoir, car la distance que les électrons doivent parcourir est donc très courte."

Les pérovskites sont une classe de matériaux qui pourraient bientôt remplacer le silicium comme matériau de choix pour de nombreux dispositifs photovoltaïques. Bien que les cellules solaires à pérovskite n'aient été développées qu'au cours des dernières années, ils sont déjà presque aussi économes en énergie que le silicium.

En partie parce qu'ils sont considérablement plus minces, ils sont beaucoup moins chers à fabriquer. Alors que les cellules de silicium ont environ un millimètre d'épaisseur, les équivalents pérovskites ont une épaisseur d'environ un micromètre, environ 100 fois plus fin qu'un cheveu humain. Ils sont également très flexibles, ce qui signifie qu'en plus d'être utilisé pour alimenter des bâtiments et des machines, les cellules de pérovskite pourraient éventuellement être incorporées dans des choses comme des tentes, ou même des vêtements.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont voulu savoir pendant combien de temps les électrons produits par ces cellules conservent leurs niveaux d'énergie les plus élevés possibles. Lorsque la lumière du soleil frappe la cellule, particules lumineuses (ou photons), sont convertis en électrons. Ceux-ci peuvent être extraits à travers une électrode pour récolter la charge électrique.

Pendant un bref instant après leur création, les électrons se déplacent très rapidement. Cependant, ils commencent alors à entrer en collision, et perdre de l'énergie. Des électrons qui conservent leur vitesse, avant la collision, sont connus comme "chauds" et leur énergie cinétique ajoutée signifie qu'ils ont le potentiel de produire plus de charge.

"Imaginez si vous aviez une table de billard et que chaque balle se déplaçait à la même vitesse, " expliqua Richter. " Après un certain temps, ils vont se frapper, ce qui les fait ralentir et changer de direction. Nous voulions savoir combien de temps nous avons pour extraire les électrons avant que cela ne se produise."

L'équipe de Cambridge a profité d'une méthode développée par leurs collègues de Milan appelée spectroscopie bidimensionnelle. Cela implique de pomper la lumière de deux lasers sur des échantillons de cellule de pérovskite à iodure de plomb afin de simuler la lumière du soleil, puis en utilisant un troisième laser « sonde » pour mesurer la quantité de lumière absorbée.

Une fois les électrons entrés en collision et ralentis, et commencent ainsi à prendre de la place dans la cellule, la quantité de lumière absorbée change. Le temps qu'il a fallu pour que cela se produise dans l'étude a effectivement permis aux chercheurs d'établir combien de temps est disponible pour extraire les électrons alors qu'ils sont encore « chauds ».

L'étude a révélé que les événements de collision d'électrons ont commencé à se produire entre 10 et 100 femtosecondes après que la lumière a été initialement absorbée par la cellule. Pour maximiser l'efficacité énergétique, les électrons auraient donc besoin d'atteindre l'électrode en aussi peu que 10 quadrillions de seconde.

Les chercheurs sont néanmoins optimistes quant à la possibilité que cela soit possible. En plus de profiter de la minceur intrinsèque de la pérovskite, ils pensent que des nanostructures pourraient être créées à l'intérieur des cellules pour réduire davantage la distance que les électrons doivent parcourir.

"Cette approche n'est qu'une idée pour l'instant, mais c'est le genre de chose dont nous aurions besoin pour surmonter les très petites échelles de temps que nous avons mesurées, " ajouta Richter.

Le papier, "Thermalisation ultrarapide des porteurs dans la pérovskite à l'iodure de plomb sondée par spectroscopie électronique bidimensionnelle, " est publié dans Communication Nature .