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Les chercheurs ont développé une pâte faite de dioxyde de titane et de nanoparticules de silicium résonnantes qui sert de couche supplémentaire dans le processus de production de cellules solaires. Les particules mie-résonnantes dans la pâte permettent de contrôler la quantité de lumière absorbée et d’augmenter la génération de photocourant, ce qui a permis aux chercheurs d’amener l’efficacité des cellules solaires à 21%. Il est important de se faire une idée importante que les expériences ont été menées sur les pérovskites aux halogénures (MAPbI3), qui sont les plus répandues et les mides les plus étudiées dans le domaine du photovoltaïque.
Matériaux disponibles
Les pérovskites aux halogénures sont parmi les matériaux les plus prometteurs du photovoltaïque contemporain, mais elles présentent un inconvénient important: leur couche photoactive n’est que d’environ 300 à 600 nanomètres. De telles couches minces ne peuvent pas absorber toute la lumière entrante, mais en même temps, elles ne peuvent pas être rendues plus épaisses – alors, la lumière sera dispersée plus activement, provoquant des pertes d’énergie.
L’une des deux stratégies peut être utilisée pour augmenter l’efficacité des cellules solaires à base de pérovskite: améliorer la collecte de charge ou augmenter l’absorption de la lumière. La première stratégie nécessite l’utilisation de compositions de pérovskite plus complexes et l’introduction de substances supplémentaires (généralement des métaux rares), ainsi que l’augmentation générale de la complexité de la structure. Naturellement, cela conduit à une augmentation des dépenses de production. Des chercheurs de l’Université ITMO et des collègues de l’Université Tor Vergata ont contourné ce problème en augmentant la concentration de lumière à l’intérieur des cellules solaires. De plus, leur solution utilise du silicium, l’un des éléments les plus accessibles dans la nature.
« Nous pouvons obtenir du silicium à partir de sable, il y a donc un approvisionnement presque infini de ce matériau. Cela aurait été une solution étrange d’introduire simplement du silicium dans la structure de la pérovskite, mais il pourrait être introduit sous forme de nanoparticule. Ces particules servent de nanoantennes – elles captent la lumière et elle résonne à l’intérieur d’elles. Et plus la lumière reste longtemps dans la couche photoactive, plus elle est absorbée par le matériau », explique le professeur à l’École de physique et d’ingénierie de l’ITMO.
Aleksandra Furasova et Sergey Makarov. Photo par Ekaterina Shevyreva, ITMO. NOUVELLES
Calculs exacts
L’astuce est que les nanoparticules de silicium de tailles spécifiques sont Mie-résonnant. Grâce à cet effet, les nanoparticules peuvent amplifier divers phénomènes optiques, y compris l’absorption de la lumière et le rayonnement spontané. En d’autres termes, ils fonctionnent comme des nanoantennes. Cependant, afin d’utiliser cette propriété, les chercheurs ont dû effectuer des calculs théoriques sérieux et construire un modèle qui tient compte des propriétés électrophysiques et optiques de toutes les couches et nanoparticules lorsqu’elles sont soumises à un rayonnement et à une tension externes.
La pâte de nanoparticules développée par les chercheurs. Photo par Ekaterina Shevyreva, ITMO. NOUVELLES
La deuxième tâche cruciale et complexe du projet consistait à identifier le meilleur emplacement pour la pâte développée. Les cellules solaires sont produites en utilisant la méthode du revêtement de spin, lorsque des couches liquides sont appliquées séquentiellement les unes sur les autres. Cela permet de créer des films minces d’épaisseur et de concentration variables de manière contrôlalabique. De plus, pratiquement tous les matériaux et substances supplémentaires peuvent être ajoutés aux films au cours d’une telle production.
Production d’une cellule de pérovskite avec la pâte de nanoparticules. Photo par Ekaterina Shevyreva, ITMO. NOUVELLES
« Avec les méthodes liquides, nous pouvons facilement répartir la quantité de nanoparticules sèches dans une solution. Ce que nous devions décider, c’était dans quelle couche nous devions placer les particules résonnantes de Mie. S’ils sont placés dans la couche de pérovskite, ils endommageraient ses régions photoactives. S’ils devaient être placés dans la couche de transport supérieure, la lumière aurait été principalement absorbée au moment où elle a atteint les nanoparticules à travers toutes les couches en dessous d’eux. C’est pourquoi nous avons placé les nanoparticules dans la couche suivante après la pérovskite – de cette façon, elles sont plus proches de la source lumineuse et fonctionnent plus efficacement comme des antennes », explique Aleksandra Furasova, première auteure de l’article et associée de recherche junior à l’École de physique et d’ingénierie de l’ITMO.
Production d’une cellule de pérovskite avec la pâte de nanoparticules. Photo par Ekaterina Shevyreva, ITMO. NOUVELLES
Une technologie simple
La pâte développée est simple à appliquer et peut être utilisée avec des cellules solaires de n’importe quelle composition et configuration. Dans le même temps, il n’y a pas de complications supplémentaires au processus de production, tandis que le coût des appareils résultants n’augmente que de 0,3%.
« La pâte peut être facilement appliquée avec d’autres méthodes, pas seulement avec un revêtement de spin. C’est un produit universel brut qui peut être utilisé dans d’autres types de cellules solaires, ainsi que dans la production de divers dispositifs – photodétecteurs, moissonneuses et optoélectronique. Une telle production est également respectueuse de l’environnement, car nous n’utilisons pas de matériaux rares. En conséquence, nous avons développé une solution technologique et nous pensons que le produit sera universellement applicable et recherché », conclut Sergey Makarov.