La stabilité d'un matériau très efficace et bon marché pour les cellules solaires a maintenant été améliorée jusqu'à deux ordres de grandeur. Les manipulations matérielles qui ont permis cette amélioration ont été développées dans un projet soutenu par le Fonds autrichien pour la science FWF - et leur "secret" a été récemment publié dans Lettres nano .

Les pérovskites aux halogénures de plomb sont le chouchou de la recherche sur les cellules solaires :le matériau cristallin est utilisé pour des processus de fabrication rentables et, dépassement du seuil de 20 %, a déjà atteint d'énormes rendements de conversion de puissance en un temps relativement court. Ce matériau présente encore un inconvénient fondamental, cependant, et c'est son instabilité. Une découverte récente par un Erwin Schrödinger Fellow de la FWF, en coopération avec Aaron Fafarman et une équipe de chercheurs de l'Université Drexel de Philadelphie, NOUS, a maintenant montré que cette instabilité peut être considérablement réduite grâce à des niveaux élevés de dopage en ions chlorure.

Niveaux de dopage élevés

David Egger, qui est soutenu par une bourse Schrödinger et basé au Département des matériaux et interfaces de l'Institut des sciences Weizmann en Israël, avec ses collègues, ils ont découvert que certaines pérovskites peuvent contenir des niveaux élevés d'ions chlorure (dopage) - et que cela améliore la stabilité du matériau fonctionnel dans certaines conditions jusqu'à deux ordres de grandeur.

Egger précise :« Nous avons examiné les pérovskites césium-plomb-iodure. Un problème est la stabilité de la phase fonctionnelle de ce matériau qui nous intéresse pour des applications :dans des conditions pratiquement pertinentes, une transition de phase se produit et les excellentes propriétés photovoltaïques sont perdues presque immédiatement."

D'après des expériences antérieures sur des pérovskites comprenant du chlorure au lieu d'ions iodure, on pourrait supposer que le dopage du matériau avec du chlorure peut améliorer sa stabilité. Cependant, y parvenir dans la pratique s'est avéré extrêmement difficile.

Egger et ses collègues ont choisi une approche interdisciplinaire pour étudier si le dopage au chlorure pouvait avoir un effet positif sur la stabilité des pérovskites à base de césium :« Nous avons utilisé des simulations atomistiques pour montrer que les ions chlorure sont mobiles dans le cristal de pérovskite, peut facilement être incorporé dans le matériel hôte, et que cela améliorerait la stabilité mécanique. Nos collègues ont conçu une approche expérimentale pour introduire du chlorure dans le matériau pérovskite, qu'ils ont obtenu en utilisant un procédé de frittage chimique", Egger explique la coopération internationale entre l'Institut Weizmann en Israël et les scientifiques de l'Université Drexel et de l'Université de Pennsylvanie aux États-Unis.

Des résultats surprenants

Lors de l'analyse de la stabilité du césium-plomb-iodure-chlorure, l'équipe a été surprise. Comme les pérovskites aux halogénures de plomb sont généralement particulièrement instables au contact de l'eau, l'équipe a surveillé la stabilité des matériaux des nouveaux composés à différents niveaux d'humidité. À une humidité relative de 54 pour cent, la demi-vie de la phase fonctionnelle du nouveau matériau était six fois plus longue que celle des échantillons témoins sans chlorure. À des niveaux d'humidité réduits de onze pour cent, la demi-vie est devenue encore plus longue. Egger commente la découverte :« La demi-vie améliorée de la phase de pérovskite fonctionnelle à une humidité relative de onze pour cent était telle que nous ne pouvions plus détecter une transition de phase de la pérovskite dopée au chlorure dans le temps de mesure maximum possible de notre dispositifs, qui était de 96 heures. Pour la pérovskite non dopée, cependant, ça s'est passé beaucoup plus vite, indiquant que le dopage au chlorure a amélioré la demi-vie d'au moins 2 ordres de grandeur.

L'aperçu fondamental fourni par Egger et ses collègues, soutenu par la bourse Erwin Schrödinger de la FWF, peut maintenant être utilisé dans de nouvelles approches pour exploiter l'énorme potentiel des cellules solaires à pérovskite avec une capacité encore plus grande.