Un examen plus approfondi des matériaux qui composent les cellules solaires conventionnelles révèle un arrangement presque rigide d'atomes avec peu de mouvement. Mais dans les pérovskites hybrides, une classe prometteuse de matériaux pour cellules solaires, les arrangements sont plus souples et les atomes dansent sauvagement, un effet qui impacte les performances des cellules solaires mais qui a été difficile à mesurer.

Dans un article publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , une équipe internationale de chercheurs dirigée par le SLAC National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie a développé une nouvelle compréhension de ces danses sauvages et de la façon dont elles affectent le fonctionnement des matériaux pérovskites. Les résultats pourraient expliquer pourquoi les cellules solaires à pérovskite sont si efficaces et aider à concevoir des cellules solaires à support chaud, une technologie théorique qui doublerait presque les limites d'efficacité des cellules solaires conventionnelles en convertissant plus de lumière solaire en énergie électrique utilisable.

Pièce du puzzle

Cellules solaires pérovskites, qui peut être produit à température ambiante, offrir une alternative moins chère et potentiellement plus performante aux matériaux de cellules solaires conventionnels comme le silicium, qui doivent être fabriqués à des températures extrêmement élevées pour éliminer les défauts. Mais le manque de compréhension de ce qui rend les matériaux à pérovskite si efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité a été un obstacle majeur à la production de cellules solaires à pérovskite encore plus efficaces.

"Ce n'est vraiment qu'au cours des cinq ou six dernières années que les gens ont développé cet intérêt intense pour les matériaux pérovskites solaires, " dit Mike Toney, un scientifique distingué du personnel scientifique de Stanford Synchrotron Radiation Light Source (SSRL) du SLAC qui a dirigé l'étude. "En conséquence, une grande partie des connaissances fondamentales sur ce qui fait fonctionner les matériaux est manquante. Dans cette recherche, nous avons fourni une pièce importante de ce puzzle en montrant ce qui les distingue des matériaux de cellules solaires plus conventionnels. Cela nous fournit des fondements scientifiques qui nous permettront de commencer à concevoir ces matériaux de manière rationnelle. »

Garder au chaud

Lorsque la lumière du soleil frappe une cellule solaire, une partie de l'énergie peut être utilisée pour envoyer des électrons dans le matériau à des états d'énergie plus élevés. Ces électrons de plus haute énergie sont canalisés hors du matériau, produire de l'électricité.

Mais avant que cela n'arrive, une majorité de l'énergie solaire est perdue en chaleur, une partie étant également perdue lors de l'extraction de l'énergie utilisable ou en raison d'une collecte de lumière inefficace. Dans de nombreuses cellules solaires conventionnelles, tels que ceux fabriqués avec du silicium, les phonons acoustiques – une sorte d'onde sonore qui se propage à travers le matériau – sont le principal moyen par lequel cette chaleur est transportée à travers le matériau. L'énergie perdue par l'électron sous forme de chaleur limite l'efficacité de la cellule solaire.

Dans cette étude, théoriciens du Royaume-Uni, dirigé par le professeur Aron Walsh de l'Imperial College et les théoriciens de la structure électronique Jonathan Skelton et Jarvist Frost, a fourni un cadre théorique pour l'interprétation des résultats expérimentaux. Ils ont prédit que les phonons acoustiques traversant les pérovskites auraient une courte durée de vie en raison des arrangements flexibles d'atomes et de molécules dansants dans le matériau.

Les chimistes de Stanford Hema Karunadasa et Ian Smith ont réussi à développer le grand, monocristaux spécialisés qui étaient essentiels pour ce travail. Avec l'aide de Peter Gehring, un physicien au NIST Center for Neutron Research, l'équipe a dispersé des neutrons sur ces monocristaux de pérovskite d'une manière qui leur a permis de retracer le mouvement des atomes et des molécules dans le matériau. Cela leur a permis de mesurer avec précision la durée de vie des phonons acoustiques.

L'équipe de recherche a découvert que dans les pérovskites, les phonons acoustiques ont une durée de vie incroyablement courte, survivant seulement 10 à 20 trillionièmes de seconde. Sans ces phonons transportant la chaleur à travers le matériau, les électrons peuvent rester chauds et conserver leur énergie lorsqu'ils sont extraits du matériau. L'exploitation de cet effet pourrait potentiellement conduire à des cellules solaires à support chaud avec des rendements presque deux fois plus élevés que les cellules solaires conventionnelles.

En outre, ce phénomène pourrait expliquer comment les cellules solaires à pérovskite fonctionnent si bien malgré le fait que le matériau soit criblé de défauts qui piégeraient les électrons et atténueraient les performances d'autres matériaux.

"Comme les phonons des pérovskites ne voyagent pas très loin, ils finissent par chauffer la zone entourant les électrons, qui pourrait fournir le coup de pouce dont les électrons ont besoin pour échapper aux pièges et continuer leur petit bonhomme de chemin, " dit Toney.

Transformer la production d'énergie

Pour faire suite à cette étude, des chercheurs du Centre de recherche sur la frontière énergétique du Center for Hybrid Organic-Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE) dirigé par le National Renewable Energy Laboratory du DOE étudieront ce phénomène dans des matériaux pérovskites plus complexes qui se sont révélés plus efficaces dans les dispositifs énergétiques. Ils aimeraient comprendre comment la modification de la composition chimique du matériau affecte la durée de vie des phonons acoustiques.

« Nous devons transformer fondamentalement notre système énergétique le plus rapidement possible, " dit Aryeh Gold-Parker, qui a codirigé l'étude en tant que doctorant. étudiant à l'Université de Stanford et au SLAC. « Alors que nous nous dirigeons vers un avenir à faibles émissions de carbone, un élément très important est d'avoir des cellules solaires bon marché et efficaces. L'espoir dans les pérovskites est qu'elles conduiront à des panneaux solaires commerciaux plus efficaces et moins chers que ceux sur le marché aujourd'hui."