Les cellules solaires fabriquées avec des films imitant la structure de la pérovskite minérale sont au centre de la recherche mondiale. Mais ce n'est que maintenant que des chercheurs de la Case Western Reserve University ont montré directement que les films possèdent une propriété clé leur permettant de convertir efficacement la lumière du soleil en électricité.

L'identification de cet attribut pourrait conduire à des panneaux solaires plus efficaces.

Les électrons générés lorsque la lumière frappe le film ne sont pas limités par les joints de grains (les bords des sous-unités cristallines à l'intérieur du film) et parcourent de longues distances sans se détériorer, les chercheurs ont montré. Cela signifie que les porteurs de charge électrique qui sont piégés et se désintègrent dans d'autres matériaux sont à la place disponibles pour être prélevés sous forme de courant.

Les scientifiques ont mesuré directement la distance parcourue - appelée longueur de diffusion - pour la première fois en utilisant la technique appelée "microscopie d'imagerie à photocourant à balayage spatial". La longueur de diffusion dans un film de pérovskite bien orienté mesurait jusqu'à 20 micromètres.

Les résultats, publié dans la revue Lettres nano , indiquent que les cellules solaires pourraient être rendues plus épaisses sans nuire à leur efficacité, dit Xuan Gao, professeur agrégé de physique et auteur de l'article.

"Une cellule plus épaisse peut absorber plus de lumière, " il a dit, « produisant potentiellement une meilleure cellule solaire. »

Efficacité intégrée

Les chercheurs en énergie solaire pensent que les films de pérovskite sont très prometteurs. En moins de cinq ans, les films fabriqués avec la structure cristalline ont dépassé 20 pour cent d'efficacité dans la conversion de la lumière du soleil en électricité, une marque qui a pris des décennies à atteindre avec les cellules solaires à base de silicium utilisées aujourd'hui.

Dans cette recherche, Le laboratoire de Gao a effectué des mesures d'images photocourantes spatialement numérisées sur des films réalisés dans le laboratoire du professeur de chimie de Case Western Reserve, Clemens Burda.

Les minéraux pérovskites trouvés dans la nature sont des oxydes de certains métaux, mais le laboratoire de Burda a fabriqué des films organométalliques avec la même structure cristalline en utilisant du tri-iodure de plomb méthyl ammonium (CH3NH3PBI3), un halogénure de plomb tridimensionnel entouré de petites molécules organiques de méthylammonium qui maintiennent la structure du réseau ensemble.

"La question a été, « Comment ces cellules solaires sont-elles si efficaces ? Si nous savions, nous pourrions encore améliorer les cellules solaires à pérovskite", a déclaré Burda. "Les gens pensaient que cela pourrait être dû à un transport d'électrons inhabituellement long, et nous l'avons mesuré directement."

La longueur de diffusion est la distance d'un électron ou de son opposé, appelé un trou, se déplace de la génération jusqu'à ce qu'il se recombine ou soit extrait sous forme de courant électrique. La distance est la même que la longueur de transport lorsqu'aucun champ électrique (ce qui augmente généralement la distance parcourue) n'est appliqué.

Mesurer les déplacements

Les laboratoires ont effectué des mesures répétées en focalisant un minuscule point laser sur des films de 8 millimètres de côté sur 300 nanomètres d'épaisseur. Les films ont été rendus stables en revêtant la pérovskite d'une couche du polymère parylène.

La lumière génère des électrons et des trous et le photocourant, ou flux d'électrons, est enregistré entre les électrodes positionnées à environ 120 microns l'une de l'autre tandis que le film est balayé le long de deux directions perpendiculaires. Le balayage produit une carte spatiale bidimensionnelle des caractéristiques de diffusion et de transport des porteurs.

Les mesures ont montré une longueur de diffusion moyenne d'environ 10 microns. Dans certains cas, la longueur atteint 20 microns, montrant que la zone fonctionnelle du film est d'au moins 20 microns de long, les chercheurs ont dit.

Dans certains matériaux, les joints de grains diminuent la conductivité, mais l'imagerie a montré que ces interfaces entre les grains dans le film n'exerçaient aucune influence sur le voyage des électrons. Gao et Burda disent que c'est peut-être parce que les grains du film sont bien alignés, ne causant aucune impédance ou d'autres effets néfastes sur les électrons ou les trous.

Burda et Gao recherchent maintenant des fonds fédéraux pour utiliser la technique de microscopie afin de déterminer si différentes tailles de grains, orientation, compositions de pérovskite aux halogénures, les épaisseurs de film et plus changent les propriétés du film, pour accélérer davantage la recherche dans le domaine.