Des scientifiques de l'Université de Cambridge qui étudient les matériaux pérovskites pour les cellules solaires et les LED flexibles de nouvelle génération ont découvert qu'ils peuvent être plus efficaces lorsque leurs compositions chimiques sont moins ordonnées. en simplifiant considérablement les processus de production et en réduisant les coûts.

Les découvertes surprenantes, Publié dans Photonique de la nature , sont le fruit d'un projet collaboratif, dirigé par le Dr Felix Deschler et le Dr Sam Stranks.

Le matériau le plus couramment utilisé pour produire des panneaux solaires est le silicium cristallin, mais pour obtenir une conversion efficace de l'énergie, il faut un processus de production coûteux et long. Le matériau silicium doit avoir une structure de plaquette très ordonnée et est très sensible à toutes les impuretés, comme la poussière, doit donc être fait dans une salle blanche.

Au cours de la dernière décennie, les matériaux pérovskites sont apparus comme des alternatives prometteuses.

Les sels de plomb utilisés pour les fabriquer sont beaucoup plus abondants et moins chers à produire que le silicium cristallin, et ils peuvent être préparés dans une encre liquide qui est simplement imprimée pour produire un film du matériau.

Les composants utilisés pour fabriquer la pérovskite peuvent être modifiés pour donner aux matériaux différentes couleurs et propriétés structurelles, par exemple, faire en sorte que les films émettent des couleurs différentes ou captent la lumière du soleil plus efficacement.

Vous n'avez besoin que d'un film très fin de ce matériau pérovskite - environ mille fois plus fin qu'un cheveu humain - pour obtenir des efficacités similaires aux plaquettes de silicium actuellement utilisées, ouvrant la possibilité de les intégrer dans des fenêtres ou flexibles, écrans de smartphone ultra-légers.

"C'est la nouvelle classe de semi-conducteurs qui pourrait réellement révolutionner toutes ces technologies, " a déclaré Sascha Feldmann, un doctorat étudiant au laboratoire Cavendish de Cambridge.

"Ces matériaux montrent une émission très efficace lorsque vous les excitez avec des sources d'énergie comme la lumière, ou appliquer une tension pour faire fonctionner une LED.

« C'est vraiment utile, mais on ne sait pas pourquoi ces matériaux que nous traitons dans nos laboratoires de manière tellement plus grossière que ces salles blanches, plaquettes de silicium de haute pureté, fonctionnent si bien."

Les scientifiques avaient supposé que, comme avec les matériaux en silicone, plus ils pourraient fabriquer les matériaux, plus ils seraient efficaces. Mais Feldmann et son co-auteur principal Stuart MacPherson ont été surpris de constater que le contraire était vrai.

"La découverte a vraiment été une grosse surprise, " dit Deschler, qui dirige maintenant un groupe de recherche Emmy-Noether à la TU Munich. « Nous faisons beaucoup de spectroscopie pour explorer les mécanismes de fonctionnement de nos matériaux, et je me demandais pourquoi ces films vraiment assez désordonnés chimiquement fonctionnaient si bien."

"C'était fascinant de voir combien de lumière nous pouvions obtenir de ces matériaux dans un scénario où nous nous attendions à ce qu'ils soient assez sombres, " a déclaré MacPherson, un doctorat étudiant au Laboratoire Cavendish. "Peut-être ne devrions-nous pas être surpris étant donné que les pérovskites ont réécrit le livre de règles sur la performance en présence de défauts et de désordre."

Les chercheurs ont découvert que leur rugueux, les préparations alliées à plusieurs composants amélioraient en fait l'efficacité des matériaux en créant de nombreuses zones avec des compositions différentes qui pourraient piéger les porteurs de charge sous tension, soit de la lumière du soleil dans une cellule solaire, ou un courant électrique dans une LED.

"C'est en fait à cause de ce traitement brut et du démixage ultérieur des composants chimiques que vous créez ces vallées et ces montagnes en énergie dans laquelle les charges peuvent s'écouler et se concentrer, " a déclaré Feldmann. " Cela les rend plus faciles à extraire pour votre cellule solaire, et il est plus efficace de produire de la lumière à partir de ces points chauds dans une LED."

Leurs découvertes pourraient avoir un impact énorme sur le succès de fabrication de ces matériaux.

« Les entreprises qui cherchent à fabriquer de plus grandes lignes de fabrication pour les pérovskites ont essayé de résoudre le problème de l'homogénéité des films, mais maintenant nous pouvons leur montrer qu'en fait un simple processus d'impression à jet d'encre pourrait faire un meilleur travail, " dit Feldmann.

"La beauté de l'étude réside vraiment dans la découverte contre-intuitive que facile à faire ne signifie pas que le matériel sera pire, mais peut en fait être mieux."

« C'est maintenant un défi passionnant de trouver des conditions de fabrication qui créent le désordre optimal dans les matériaux pour atteindre une efficacité maximale, tout en conservant les propriétés structurelles nécessaires pour des applications spécifiques, " dit Deschler.

« Si nous pouvons apprendre à contrôler le trouble encore plus précisément, nous pourrions nous attendre à d'autres améliorations des performances des LED ou des cellules solaires - et même aller bien au-delà du silicium avec des cellules solaires en tandem sur mesure comprenant deux couches de pérovskite de couleurs différentes qui, ensemble, peuvent récolter encore plus d'énergie du soleil qu'une seule couche, " a déclaré le Dr Sam Stranks, Maître de conférences en énergie au Département de génie chimique et de biotechnologie de Cambridge et au Laboratoire Cavendish.

Une autre limitation des matériaux pérovskites est leur sensibilité à l'humidité, les groupes étudient donc également des moyens d'améliorer leur stabilité.

"Il y a encore du travail à faire pour les faire durer sur les toits comme le silicium peut le faire, mais je suis optimiste, " dit Stranks.