(Phys.org) —Pour les panneaux solaires, essorer chaque goutte d'énergie d'autant de photons que possible est impératif. Cet objectif a envoyé de la chimie, des chercheurs en science des matériaux et en génie électronique en quête d'amélioration de l'efficacité d'absorption d'énergie des dispositifs photovoltaïques, mais les techniques existantes se heurtent aujourd'hui aux limites fixées par les lois de la physique.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie et de l'Université Drexel ont démontré expérimentalement un nouveau paradigme pour la construction de cellules solaires qui pourrait finalement les rendre moins chères, plus facile à fabriquer et plus efficace pour récupérer l'énergie du soleil.

L'étude a été dirigée par le professeur Andrew M. Rappe et le spécialiste de la recherche Ilya Grinberg du département de chimie de la Penn's School of Arts and Sciences, avec le président Peter K. Davies du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'École d'ingénierie et des sciences appliquées, et le professeur Jonathan E. Spanier, du Département de science et génie des matériaux de Drexel.

Il a été publié dans la revue La nature .

Les cellules solaires existantes fonctionnent toutes de la même manière fondamentale :elles absorbent la lumière, qui excite les électrons et les fait circuler dans une certaine direction. Ce flux d'électrons est du courant électrique. Mais pour établir une direction cohérente de leur mouvement, ou polarité, les cellules solaires doivent être constituées de deux matériaux. Une fois qu'un électron excité traverse l'interface du matériau qui absorbe la lumière au matériau qui conduira le courant, il ne peut pas revenir en arrière, lui donner une direction.

"Il y a une petite catégorie de matériaux, cependant, que lorsque vous les éclairez, l'électron décolle dans une direction particulière sans avoir à passer d'un matériau à un autre, " a déclaré Rappe. "Nous appelons cela l'effet photovoltaïque 'en vrac', plutôt que l'effet « interface » qui se produit dans les cellules solaires existantes. Ce phénomène est connu depuis les années 1970, mais nous ne fabriquons pas de cellules solaires de cette façon car elles n'ont été démontrées qu'avec la lumière ultraviolette, et la majeure partie de l'énergie du soleil se trouve dans le spectre visible et infrarouge."

Trouver un matériau qui présente l'effet photovoltaïque de masse pour la lumière visible simplifierait grandement la construction de cellules solaires. De plus, ce serait un moyen de contourner une inefficacité intrinsèque aux cellules solaires interfaciales, connue sous le nom de limite de Shockley-Queisser, où une partie de l'énergie des photons est perdue alors que les électrons attendent de passer d'un matériau à l'autre.

"Pensez aux photons venant du soleil alors que des pièces de monnaie pleuvent sur vous, les différentes fréquences de lumière étant comme des centimes, nickels, centimes et ainsi de suite. Une qualité de votre matériau absorbant la lumière appelée « bande interdite » détermine les dénominations que vous pouvez attraper, " a déclaré Rappe. "La limite de Shockley-Queisser dit que tout ce que vous attrapez n'a que la valeur la plus faible que votre bande interdite permet. Si vous choisissez un matériau avec une bande interdite qui peut attraper des centimes, vous pouvez attraper des centimes, des quartiers et des dollars en argent, mais ils ne vaudront tous que l'équivalent énergétique de 10 cents lorsque vous les attraperez.

"Si vous fixez votre limite trop haut, vous pourriez obtenir plus de valeur par photon mais attraper moins de photons dans l'ensemble et sortir pire que si vous choisissiez une dénomination inférieure, " a-t-il dit. " Régler votre bande interdite pour n'attraper que des dollars en argent, c'est comme ne pouvoir attraper que la lumière UV. Le régler pour attraper des quartiers, c'est comme descendre dans le spectre visible. Votre rendement est meilleur même si vous perdez la majeure partie de l'énergie des UV que vous obtenez."

Comme aucun matériau connu n'a présenté l'effet photovoltaïque de masse pour la lumière visible, l'équipe de recherche s'est tournée vers ses scientifiques des matériaux pour concevoir comment un nouveau pourrait être façonné et ses propriétés mesurées.

Depuis plus de cinq ans, l'équipe a commencé un travail théorique, tracer les propriétés de nouveaux composés hypothétiques qui auraient un mélange de ces traits. Chaque composé a commencé avec un matériau "parent" qui donnerait au matériau final l'aspect polaire de l'effet photovoltaïque de masse. Au parent, un matériau qui réduirait la bande interdite du composé serait ajouté en différents pourcentages. Ces deux matériaux seraient broyés en fines poudres, mélangés ensemble puis chauffés dans un four jusqu'à ce qu'ils réagissent ensemble. Le cristal résultant aurait idéalement la structure du parent mais avec des éléments du second matériau à des emplacements clés, lui permettant d'absorber la lumière visible.

"Le défi de la conception, " Davies a dit, « était d'identifier des matériaux capables de conserver leurs propriétés polaires tout en absorbant simultanément la lumière visible. Les calculs théoriques ont indiqué de nouvelles familles de matériaux où cette combinaison de propriétés souvent mutuellement exclusives pourrait en fait être stabilisée. »

Cette structure est connue sous le nom de cristal de pérovskite. La plupart des matériaux absorbant la lumière ont une structure cristalline symétrique, ce qui signifie que leurs atomes sont disposés en motifs répétitifs vers le haut, vers le bas, la gauche, droit, avant et arrière. Cette qualité rend ces matériaux non polaires; toutes les directions "se ressemblent" du point de vue d'un électron, il n'y a donc pas de direction générale pour qu'ils s'écoulent.

Un cristal de pérovskite a le même réseau cubique d'atomes métalliques, mais à l'intérieur de chaque cube se trouve un octaèdre d'atomes d'oxygène, et à l'intérieur de chaque octaèdre se trouve un autre type d'atome de métal. La relation entre ces deux éléments métalliques peut les faire se décentrer, donner une directivité à la structure et la rendre polaire.

"Tous les bons polaires, ou ferroélectrique, les matériaux ont cette structure cristalline, " a déclaré Rappe. " Cela semble très compliqué, mais cela arrive tout le temps dans la nature lorsque vous avez un matériau avec deux métaux et de l'oxygène. Ce n'est pas quelque chose que nous avons dû concevoir nous-mêmes."

Après plusieurs tentatives infructueuses pour produire physiquement les cristaux de pérovskite spécifiques qu'ils avaient théorisés, les chercheurs ont réussi avec une combinaison de niobate de potassium, le parent, matière polaire, et niobate de baryum et de nickel, ce qui contribue à la bande interdite du produit final.

Les chercheurs ont utilisé la cristallographie aux rayons X et la spectroscopie de diffusion Raman pour s'assurer qu'ils avaient produit la structure cristalline et la symétrie qu'ils souhaitaient. Ils ont également étudié sa polarité commutable et sa bande interdite, montrant qu'ils pouvaient effectivement produire un effet photovoltaïque de masse avec la lumière visible, ouvrant la possibilité de briser la limite de Shockley-Queisser.

De plus, la possibilité de régler la bande interdite du produit final via le pourcentage de niobate de baryum et de nickel ajoute un autre avantage potentiel par rapport aux cellules solaires interfaciales.

"La bande interdite des parents est dans la gamme UV, " Spanier a dit, « mais l'ajout de seulement 10 % du niobate de baryum et de nickel déplace la bande interdite dans la plage visible et proche de la valeur souhaitée pour une conversion efficace de l'énergie solaire. C'est donc un matériau viable pour commencer, et la bande interdite continue également à varier dans la plage visible à mesure que nous en ajoutons plus, ce qui est un autre trait très utile."

Une autre façon de contourner l'inefficacité imposée par la limite Shockley-Queisser dans les cellules solaires interfaciales consiste à empiler efficacement plusieurs cellules solaires avec des bandes interdites différentes les unes sur les autres. Ces cellules solaires multi-jonctions ont une couche supérieure avec une bande interdite élevée, qui capture les photons les plus précieux et laisse passer les moins précieux. Les couches successives ont des bandes interdites de plus en plus faibles, tirer le maximum d'énergie de chaque photon, mais en ajoutant à la complexité globale et au coût de la cellule solaire.

« La famille de matériaux que nous avons fabriqués avec l'effet photovoltaïque de masse traverse tout le spectre solaire, " a déclaré Rappe. " Nous pourrions donc faire pousser un matériau mais changer doucement la composition au fur et à mesure que nous grandissons, résultant en un seul matériau qui fonctionne comme une cellule solaire à plusieurs jonctions. »

"Cette famille de matériaux." Spanier a dit, "est d'autant plus remarquable qu'il est composé de produits peu coûteux, éléments non toxiques et abondants en terre, contrairement aux matériaux semi-conducteurs composés actuellement utilisés dans la technologie efficace des cellules solaires à couche mince. »