Des chercheurs de l'Université de Houston ont rapporté la première explication de la façon dont une classe de matériaux change pendant la production pour absorber plus efficacement la lumière, une étape critique vers la fabrication à grande échelle de panneaux solaires de meilleure qualité et moins chers.

L'oeuvre, publié ce mois-ci en couverture de Nanoéchelle , propose une étude du mécanisme de la façon dont un film mince de pérovskite modifie sa structure microscopique lors d'un chauffage doux, dit Yan Yao, professeur adjoint de génie électrique et informatique et auteur principal de l'article. Ces informations sont cruciales pour concevoir un processus de fabrication capable de produire de manière cohérente des panneaux solaires à haute efficacité.

L'année dernière, Yao et d'autres chercheurs ont identifié la structure cristalline de la phase intermédiaire non stoechiométrique comme l'élément clé des cellules solaires à pérovskite à haut rendement. Mais ce qui s'est passé au cours de l'étape de recuit thermique ultérieure n'est pas clair. Le travail est la science fondamentale, Yao a dit, mais critique pour le traitement de cellules solaires plus efficaces.

"Autrement, c'est comme une boîte noire, " a-t-il dit. " Nous savons que certaines conditions de traitement sont importantes, mais on ne sait pas pourquoi."

Parmi les autres chercheurs impliqués dans le projet, citons le premier auteur Yaoguang Rong, auparavant boursier postdoctoral à l'UH et maintenant professeur agrégé à l'Université des sciences et technologies de Huazhong en Chine ; les boursiers postdoctoraux de l'UH Swaminathan Venkatesan et Yanan Wang; Jiming Bao, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'UH; Rui Guo et Wenzhi Li de l'Université internationale de Floride, et Zhiyong Fan de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong.

Yao est également chercheur principal au Texas Center for Superconductivity à UH, qui a financé les travaux.

Le travail a également produit une surprise :les matériaux ont montré une efficacité maximale - la vitesse à laquelle le matériau a converti la lumière en électricité - avant la fin de la transformation de la phase intermédiaire, suggérant une nouvelle façon de produire les films pour assurer une efficacité maximale. Yao a déclaré que les chercheurs se seraient attendus à ce que l'efficacité la plus élevée vienne après que le matériau ait été converti en un film de pérovskite à 100%. Au lieu, ils ont découvert que les dispositifs solaires les plus performants étaient ceux pour lesquels la conversion était arrêtée à 18% de la phase intermédiaire, avant la conversion complète.

« Nous avons constaté que la composition de phase et la morphologie des films de pérovskite fabriqués par solvant dépendent fortement des conditions de traitement et peuvent influencer de manière significative les performances photovoltaïques, ", ont écrit les chercheurs. "La forte dépendance aux conditions de traitement est attribuée à la cinétique d'échange moléculaire entre les molécules d'halogénure organique et le DMSO (diméthylsulfoxyde) coordonné dans la phase intermédiaire."

Les composés de pérovskite sont généralement constitués d'un matériau hybride organique-inorganique à base de plomb ou d'halogénure d'étain et sont recherchés comme matériaux potentiels pour les cellules solaires depuis plusieurs années. Yao a déclaré que leurs avantages incluent le fait que les matériaux peuvent fonctionner comme des films très minces - environ 300 nanomètres, contre entre 200 et 300 micromètres pour les plaquettes de silicium, le matériau le plus couramment utilisé pour les cellules solaires. Les cellules solaires à pérovskite peuvent également être produites par traitement en solution à des températures inférieures à 150 degrés centigrades (environ 300 degrés Fahrenheit), ce qui les rend relativement peu coûteuses à produire.

À leur meilleur, les cellules solaires à pérovskite ont un taux d'efficacité d'environ 22%, légèrement inférieur à celui du silicium (25 %). Mais le coût des cellules solaires au silicium est également en chute libre, et les cellules de pérovskite sont instables dans l'air, perdre rapidement en efficacité. Ils contiennent aussi généralement du plomb, une toxine.

Toujours, Yao a dit, les matériaux sont très prometteurs pour l'industrie solaire, même s'il est peu probable qu'ils remplacent entièrement le silicium. Au lieu, il a dit, ils pourraient être utilisés en conjonction avec du silicium, augmenter l'efficacité à 30 pour cent environ.