Les matériaux solaires bidimensionnels peuvent offrir un moyen d'extraire plus d'énergie de la lumière du soleil. En ajustant la structure d'un matériau solaire pérovskite 2-D, des chercheurs de la KAUST et du Georgia Institute of Technology ont montré qu'ils pouvaient prolonger la durée de vie des porteurs chauds hautement énergétiques générés par la lumière frappant le matériau. L'approche pourrait offrir un moyen de capter l'énergie solaire plus efficacement.

Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques sont des matériaux solaires intéressants car elles sont potentiellement beaucoup moins chères à produire que le silicium. Cependant, il reste des questions sur la stabilité à long terme des pérovskites.

"Comme alternative aux pérovskites hybrides 3D, Les pérovskites hybrides 2D ont une stabilité et une résistance à l'humidité améliorées, " dit Jun Yin, membre des groupes de recherche d'Omar Mohammed et d'Osman Bakr. Cependant, le refroidissement des porteurs chauds dans ces matériaux n'a pas été largement étudié, ajoute Partha Maity, un stagiaire postdoctoral dans l'équipe KAUST.

Les porteurs chauds se forment en raison de la large gamme d'énergies de la lumière du soleil, qui va de l'infrarouge à faible énergie et de la lumière rouge à une extrémité du spectre, au violet et à l'ultraviolet à l'extrémité haute énergie. Les panneaux solaires captent l'énergie lorsque la lumière entrante fait passer un électron dans un état excité, mais même la lumière rouge peut exciter un électron dans une bande conductrice. Une lumière à plus haute énergie peut générer des porteurs chauds surexcités, mais ils perdent leur énergie supplémentaire beaucoup plus rapidement que les matériaux solaires conventionnels ne peuvent les capter.

Mohammed et l'équipe ont examiné si la modification du composant organique des pérovskites hybrides 2D pouvait ralentir le refroidissement des porteurs chauds, permettant de capter toute leur énergie.

Grâce à la spectroscopie laser ultrarapide, ils ont examiné des matériaux de pérovskite à l'iodure de plomb avec trois composants organiques différents :l'éthanolamine (EA), l'aminopropanol (AP) et la phényléthylamine (PEA). "La spectroscopie ultrarapide est une approche très puissante et pratique pour suivre directement la relaxation des porteurs chauds, ", dit Mohammed. "Nous pouvons suivre leur dynamique ultrarapide en temps réel."

L'équipe a constaté une différence significative entre les trois matériaux différents. "Nous avons constaté que (EA) 2 PbI 4 le monocristal a subi un processus de refroidissement du porteur chaud beaucoup plus lent, " dit Yin. Aidé par des simulations de dynamique moléculaire, l'équipe a montré que la structure basée sur l'EA supprimait une gamme de mécanismes par lesquels les porteurs chauds perdent généralement de l'énergie au profit de la structure de pérovskite environnante.

« Depuis que nous avons appris de cette étude comment ralentir la dynamique des porteurs chauds dans les pérovskites 2D, nous allons maintenant nous concentrer sur l'extraction de ces porteurs dans une véritable architecture de cellules solaires et sur leur contribution possible au rendement global de conversion, " dit Mohammed. L'équipe examinera également la dynamique et l'extraction des porteurs chauds dans des pérovskites 2D avec différentes compositions, il ajoute.