Source: sciencedaily
Un chercheur de Georgia Tech possède une cellule solaire à base de pérovskite, souple et plus légère que les versions à base de silicium.
Crédit: Rob Felt, Georgia Tech
Il y a beaucoup à aimer sur les cellules solaires à base de pérovskite. Elles sont simples et peu coûteuses à produire, offrent une flexibilité qui pourrait débloquer une nouvelle gamme de méthodes et de lieux d’installation. Au cours des dernières années, elles ont atteint des rendements énergétiques proches de ceux des cellules traditionnelles à base de silicium.
Mais trouver comment produire des dispositifs énergétiques à base de pérovskite qui durent plus longtemps que quelques mois est un défi.
Des chercheurs du Georgia Institute of Technology, de l'Université de Californie à San Diego et du Massachusetts Institute of Technology ont annoncé de nouvelles découvertes sur les cellules solaires au pérovskite, qui pourraient ouvrir la voie à des appareils plus performants.
"Les cellules solaires en pérovskite offrent de nombreux avantages potentiels car elles sont extrêmement légères et peuvent être fabriquées avec des substrats en plastique flexibles", a déclaré Juan-Pablo Correa-Baena, professeur assistant à la Georgia Tech School. "Cependant, pour pouvoir concurrencer les cellules solaires à base de silicium sur le marché, elles doivent être plus efficaces."
Dans une étude publiée le 8 février dans la revue Science et parrainée par le US Department Energy et la National Science Foundation, les chercheurs ont décrit de manière plus détaillée les mécanismes permettant d’ajouter de l’aluminium aux pérovskites traditionnels pour améliorer les performances.
"Les pérovskites pourraient vraiment changer le jeu en matière d’énergie solaire", a déclaré David Fenning, professeur de nano-ingénierie à l’Université de Californie à San Diego. "Ils ont le potentiel de réduire les coûts sans renoncer aux performances. Mais il reste encore beaucoup à apprendre fondamentalement sur ces matériaux."
Pour comprendre les cristaux de pérovskite, il est utile de considérer sa structure cristalline comme une triade. Une partie de la triade est généralement formée à partir du conducteur d’élément. Le second est généralement composé d'un composant organique tel que le méthylammonium, et le troisième est souvent composé d'autres halogénures tels que le brome et l'iode.
Au cours des dernières années, les chercheurs se sont concentrés sur l’essai de différentes recettes afin d’accroître leur efficacité, telles que l’ajout d’iode et de brome au composant principal de la structure. Plus tard, ils ont essayé de substituer du césium et du rubidium à la partie de la pérovskite généralement occupée par des molécules organiques.
"Nous savions grâce à des travaux antérieurs que l'ajout de césium et de rubidium à un perovskite de brome et d'iode mélangés conduisait à une meilleure stabilité et à de meilleures performances", a déclaré Correa-Baena.
Mais on savait peu de choses sur les raisons pour lesquelles l’ajout de ces métaux alcalins améliorait les performances des pérovskites.
Pour comprendre exactement pourquoi cela semblait fonctionner, les chercheurs ont utilisé une cartographie par rayons X de haute intensité pour examiner les pérovskites à l'échelle nanométrique.
"En examinant la composition du matériau pérovskite, nous pouvons voir comment chaque élément individuel contribue à améliorer les performances de l'appareil", a déclaré Yanqi (Grace) Luo, étudiant au doctorat en nano-ingénierie à l'UC San Diego.
Ils ont découvert que, lorsque le césium et le rubidium étaient ajoutés au perovskite composé de brome et d'iode plombés, le brome et l'iode se mélangeaient de manière plus homogène, entraînant une efficacité de conversion jusqu'à 2% supérieure à celle des matériaux sans ces additifs.
"Nous avons constaté que l'uniformité de la chimie et de la structure permettait aux cellules solaires à pérovskite de fonctionner à leur plein potentiel", a déclaré Fenning. "Toute hétérogénéité dans cette colonne vertébrale est comme un maillon faible de la chaîne."
Malgré tout, les chercheurs ont également observé que, même si l’ajout de rubidium ou de césium rendait le brome et l’iode plus homogènes, les halogénures eux-mêmes restaient assez concentrés, créant des "zones mortes" inactives dans la cellule solaire qui ne produisaient aucun courant.
"C'était surprenant", a déclaré Fenning. "Ces zones mortes tuent généralement une cellule solaire. Dans d’autres matériaux, elles agissent comme des trous noirs qui aspirent des électrons provenant d’autres régions et ne les lâchent jamais. Vous perdez donc du courant et de la tension.
"Mais dans ces zones pérovskites, nous avons constaté que les zones mortes autour du rubidium et du césium n'étaient pas trop préjudiciables aux performances des cellules solaires, bien qu'il y ait eu des pertes actuelles", a déclaré Fenning. "Cela montre à quel point ces matériaux sont robustes, mais aussi qu'il y a encore plus de possibilités d'amélioration."
Les résultats permettent de mieux comprendre le fonctionnement des dispositifs à base de pérovskite à l'échelle nanométrique et pourraient jeter les bases de futures améliorations.
«Ces matériaux promettent d’être très rentables et très performants, ce qui est essentiel pour nous assurer que les panneaux photovoltaïques sont déployés à grande échelle», a déclaré Correa-Baena. "Nous voulons essayer de compenser les problèmes liés au changement climatique. L'idée est donc de disposer de cellules photovoltaïques aussi bon marché que possible."
