Une couche bidimensionnelle d'un composé de pérovskite est la base d'une cellule solaire efficace qui pourrait résister à l'usure environnementale, contrairement aux pérovskites antérieures. Les ingénieurs de l'Université Rice ont augmenté l'efficacité photovoltaïque des pérovskites 2D jusqu'à 18 %. Crédit :Jeff Fitlow/Rice University
Les ingénieurs de l'Université Rice ont atteint une nouvelle référence dans la conception de cellules solaires atomiquement minces constituées de pérovskites semi-conductrices, augmentant leur efficacité tout en conservant leur capacité à résister à l'environnement.
Le laboratoire d'Aditya Mohite de la George R. Brown School of Engineering de Rice a découvert que la lumière du soleil elle-même contracte suffisamment l'espace entre les couches atomiques dans les pérovskites 2D pour améliorer l'efficacité photovoltaïque du matériau jusqu'à 18 %, un saut étonnant dans un domaine où le progrès est souvent mesuré en fractions de pour cent.
"En 10 ans, l'efficacité des pérovskites est passée d'environ 3% à plus de 25%", a déclaré Mohite. "D'autres semi-conducteurs ont mis environ 60 ans pour y arriver. C'est pourquoi nous sommes si enthousiastes."
La recherche apparaît dans Nature Nanotechnologie .
Les pérovskites sont des composés qui ont des réseaux cristallins cubiques et sont des collecteurs de lumière très efficaces. Leur potentiel est connu depuis des années, mais ils présentent une énigme :ils sont bons pour convertir la lumière du soleil en énergie, mais la lumière du soleil et l'humidité les dégradent.
"Une technologie de cellule solaire devrait fonctionner pendant 20 à 25 ans", a déclaré Mohite, professeur agrégé d'ingénierie chimique et biomoléculaire, de science des matériaux et de nano-ingénierie. "Nous travaillons depuis de nombreuses années et continuons à travailler avec des pérovskites en vrac qui sont très efficaces mais pas aussi stables. En revanche, les pérovskites 2D ont une stabilité énorme mais ne sont pas assez efficaces pour être posées sur un toit.
"Le gros problème a été de les rendre efficaces sans compromettre la stabilité", a-t-il déclaré.
Les ingénieurs de Rice et leurs collaborateurs des universités Purdue et Northwestern, des laboratoires nationaux du Département américain de l'énergie Los Alamos, Argonne et Brookhaven et de l'Institut d'électronique et des technologies numériques (INSA) de Rennes, en France, ont découvert que dans certaines pérovskites 2D, la lumière du soleil rétrécit efficacement l'espace entre les atomes, améliorant leur capacité à transporter un courant.
"Nous constatons que lorsque vous allumez le matériau, vous le pressez comme une éponge et rapprochez les couches pour améliorer le transport de charge dans cette direction", a déclaré Mohite. Les chercheurs ont découvert que le fait de placer une couche de cations organiques entre l'iodure en haut et le plomb en bas améliorait les interactions entre les couches.
"Ce travail a des implications importantes pour l'étude des états excités et des quasi-particules dans lesquelles une charge positive se trouve sur une couche et la charge négative se trouve sur l'autre et ils peuvent se parler", a déclaré Mohite. "Ceux-ci sont appelés excitons, qui peuvent avoir des propriétés uniques.
Siraj Sidhik, étudiant diplômé de l'Université Rice, se prépare à revêtir par centrifugation un substrat d'un composé qui se solidifie en une pérovskite 2D. Les ingénieurs de Rice ont découvert que la pérovskite était prometteuse pour des cellules solaires efficaces et robustes. Crédit :Jeff Fitlow/Rice University
"Cet effet nous a donné l'opportunité de comprendre et d'adapter ces interactions fondamentales lumière-matière sans créer d'hétérostructures complexes comme des dichalcogénures de métaux de transition 2D empilés", a-t-il déclaré.
Les expériences ont été confirmées par des modèles informatiques par des collègues en France. "Cette étude a offert une opportunité unique de combiner des techniques de simulation ab initio de pointe, des investigations sur les matériaux à l'aide d'installations synchrotron nationales à grande échelle et des caractérisations in situ de cellules solaires en fonctionnement", a déclaré Jacky Even, professeur de physique à l'INSA. "L'article décrit pour la première fois comment un phénomène de percolation libère soudainement le flux de courant de charge dans un matériau pérovskite."
Les deux résultats ont montré qu'après 10 minutes sous un simulateur solaire à une intensité solaire, les pérovskites 2D se sont contractées de 0,4 % sur leur longueur et d'environ 1 % de haut en bas. Ils ont démontré que l'effet peut être observé en 1 minute sous une intensité de cinq soleils.
Wenbin Li, étudiant diplômé de l'Université Rice, prépare une cellule solaire à pérovskite 2D pour les tester dans un simulateur solaire. Les ingénieurs de Rice ont amélioré l'efficacité des cellules constituées de pérovskites bidimensionnelles tout en conservant leur ténacité. Crédit :Jeff Fitlow/Rice University
"Cela ne semble pas beaucoup, mais cette contraction de 1% dans l'espacement du réseau induit une grande amélioration du flux d'électrons", a déclaré Wenbin Li, étudiant diplômé de Rice et co-auteur principal. "Notre recherche montre une multiplication par trois de la conduction électronique du matériau."
Dans le même temps, la nature du treillis rendait le matériau moins susceptible de se dégrader, même lorsqu'il était chauffé à 80 degrés Celsius (176 degrés Fahrenheit). Les chercheurs ont également constaté que le treillis revenait rapidement à sa configuration normale une fois la lumière éteinte.
"L'un des principaux attraits des pérovskites 2D est qu'elles ont généralement des atomes organiques qui agissent comme des barrières à l'humidité, sont thermiquement stables et résolvent les problèmes de migration des ions", a déclaré Siraj Sidhik, étudiant diplômé et co-auteur principal. "Les pérovskites 3D sont sujettes à l'instabilité de la chaleur et de la lumière, alors les chercheurs ont commencé à mettre des couches 2D sur les pérovskites en vrac pour voir s'ils pouvaient tirer le meilleur parti des deux.
"Nous avons pensé, passons simplement à la 2D uniquement et rendons-la efficace", a-t-il déclaré.
Pour observer la contraction du matériau en action, l'équipe a utilisé deux installations d'utilisateurs du Bureau des sciences du Département américain de l'énergie (DOE) :la source de lumière synchrotron nationale II au laboratoire national de Brookhaven du DOE et la source de photons avancée (APS) au laboratoire national d'Argonne du DOE. Laboratoire.
Le physicien d'Argonne Joe Strzalka, co-auteur de l'article, a utilisé les rayons X ultra-brillants de l'APS pour capturer de minuscules changements structurels dans le matériau en temps réel. Les instruments sensibles de la ligne 8-ID-E de l'APS permettent des études "operando", c'est-à-dire menées alors que l'appareil subit des changements contrôlés de température ou d'environnement dans des conditions normales de fonctionnement. Dans ce cas, Strzalka et ses collègues ont exposé le matériau photoactif de la cellule solaire à la lumière du soleil simulée tout en maintenant la température constante, et ont observé de minuscules contractions au niveau atomique.
Comme expérience de contrôle, Strzalka et ses co-auteurs ont également gardé la pièce sombre et augmenté la température, observant l'effet inverse - une expansion du matériau. Cela a montré que c'était la lumière elle-même, et non la chaleur qu'elle générait, qui provoquait la transformation.
"Pour des changements comme celui-ci, il est important de faire des études operando", a déclaré Strzalka. "De la même manière que votre mécanicien veut faire fonctionner votre moteur pour voir ce qui se passe à l'intérieur, nous voulons essentiellement prendre une vidéo de cette transformation au lieu d'un seul instantané. Des installations telles que l'APS nous permettent de le faire."
Strzalka a noté que l'APS est au milieu d'une mise à niveau majeure qui augmentera la luminosité de ses rayons X jusqu'à 500 fois. Une fois terminé, a-t-il déclaré, les faisceaux plus brillants et les détecteurs plus rapides et plus précis amélioreront la capacité des scientifiques à repérer ces changements avec encore plus de sensibilité.
Cela pourrait aider l'équipe Rice à peaufiner les matériaux pour des performances encore meilleures. "Nous sommes sur la bonne voie pour obtenir une efficacité supérieure à 20 % en concevant les cations et les interfaces", a déclaré Sidhik. "Cela changerait tout dans le domaine des pérovskites, car alors les gens commenceraient à utiliser les pérovskites 2D pour les tandems pérovskite/silicium 2D et 2D/3D, ce qui pourrait permettre des rendements approchant les 30 %. Cela rendrait la commercialisation attrayante."
Les co-auteurs de l'article sont les étudiants diplômés de Rice Jin Hou, Hao Zhang et Austin Fehr, le premier cycle Joseph Essman, l'étudiant d'échange Yafei Wang et l'auteur co-correspondant Jean-Christophe Blancon, chercheur principal au laboratoire Mohite; Boubacar Traoré, Claudine Katan à l'INSA; Reza Asadpour et Muhammad Alam de Purdue; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos et Mercouri Kanatzidis de Northwestern; Jared Crochet de Los Alamos et Esther Tsai de Brookhaven. La chimie 3D augmente l'efficacité de la pérovskite à 23,9 %
