Un coup de pouce aux cellules solaires ultrafines

Les ingénieurs de l’université de Rice ont atteint une nouvelle référence dans la conception de cellules solaires atomiquement fines en pérovskites semi-conductrices, en 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 l’université de Rice, a découvert que la lumière du soleil elle-même contracte suffisamment l’espace entre les couches atomiques des pérovskites 2D pour améliorer l’efficacité photovoltaïque du matériau jusqu’à 18 %, un bond stupéfiant dans un domaine où les progrès sont souvent mesurés en fractions de pour cent.

« En dix ans, l’efficacité des pérovskites est passée d’environ 3 % à plus de 25 %« , a déclaré M. Mohite. « Les autres semi-conducteurs ont mis environ 60 ans pour y parvenir. C’est pourquoi nous sommes si enthousiastes.« 

Les travaux de recherche sont publiés dans Nature Nanotechnology.

Les pérovskites sont des composés dont le réseau cristallin est de forme cubique et qui sont des capteurs de lumière très efficaces. Leur potentiel est connu depuis des années, mais elles présentent une énigme : elles sont efficaces pour convertir la lumière du soleil en énergie, mais la lumière du soleil et l’humidité les dégradent.

« Une technologie de cellule solaire est censée fonctionner pendant 20 à 25 ans« , a déclaré M. Mohite, professeur associé de génie chimique et biomoléculaire et de science des matériaux et de nano-ingénierie. « Nous avons travaillé pendant de nombreuses années et continuons à travailler avec des pérovskites en vrac qui sont très efficaces mais pas aussi stables. À l’inverse, les pérovskites 2D sont extrêmement stables mais pas assez efficaces pour être placées 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 ministère américain de l’énergie (Los Alamos, Argonne et Brookhaven) et de l’Institut d’électronique et de technologies numériques (INSA) de Rennes, en France, ont découvert que dans certaines pérovskites 2D, la lumière du soleil réduit effectivement l’espace entre les atomes, améliorant ainsi leur capacité à transporter un courant.

« Nous constatons que lorsque vous éclairez le matériau, vous le comprimez en quelque sorte comme une éponge et rapprochez les couches pour améliorer le transport de charge dans cette direction« , a déclaré Mohite. Les chercheurs ont constaté que le fait de placer une couche de cations organiques entre l’iodure sur le dessus et le plomb sur le dessous améliorait les interactions entre les couches.

« Ce travail a des implications importantes pour l’étude des états excités et des quasi-particules dans lesquels une charge positive se trouve sur une couche et une charge négative sur l’autre, et qui peuvent communiquer entre elles« , a déclaré M. Mohite. « On les appelle des excitons, qui peuvent avoir des propriétés uniques.« 

« Cet effet nous a donné la possibilité de comprendre et d’adapter ces interactions fondamentales entre la lumière et la matière sans créer d’hétérostructures complexes comme les dichalcogénures de métaux de transition 2D empilés« , a-t-il ajouté.

Les expériences ont été confirmées par des modèles informatiques réalisés 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 en utilisant des 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 l’intensité d’un soleil, 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 une minute sous une intensité de cinq soleils.

« Cela ne semble pas beaucoup, mais cette contraction de 1 % de l’espacement du réseau induit une forte augmentation du flux d’électrons« , a déclaré Wenbin Li, étudiant diplômé du Rice et co-auteur principal. « Nos recherches montrent une multiplication par trois de la conduction électronique du matériau« .

Dans le même temps, la nature du réseau a rendu le matériau moins enclin à se dégrader, même lorsqu’il est chauffé à 80 degrés Celsius (176 degrés Fahrenheit). Les chercheurs ont également constaté que le réseau reprenait rapidement sa configuration normale dès que la lumière était éteinte.

« L’un des principaux attraits des pérovskites 2D était qu’elles possèdent 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 thermique et lumineuse, les chercheurs ont donc commencé à mettre des couches 2D sur les pérovskites en vrac pour voir s’ils pouvaient obtenir le meilleur des deux« .

« Nous nous sommes dit qu’il fallait passer à la 2D uniquement et la rendre efficace« , a-t-il ajouté.

Pour observer la contraction du matériau en action, l’équipe a utilisé deux installations du Bureau des sciences du ministère américain de l’énergie (DOE) : la Source nationale de rayonnement synchrotron II au Brookhaven National Laboratory du DOE et l’Advanced Photon Source (APS) au Argonne National Laboratory du DOE.

Joe Strzalka, physicien à Argonne et co-auteur de l’article, a utilisé les rayons X ultraviolets de l’APS pour saisir en temps réel les minuscules changements structurels du matériau. Les instruments sensibles de la ligne de faisceaux 8-ID-E de l’APS permettent des études « operando », c’est-à-dire réalisées pendant que le dispositif subit des changements contrôlés de température ou d’environnement dans des conditions de fonctionnement normales. Dans ce cas, Strzalka et ses collègues ont exposé le matériau photoactif de la cellule solaire à une lumière solaire simulée tout en maintenant la température constante, et ont observé de minuscules contractions au niveau atomique.

À titre d’expérience de contrôle, Strzalka et ses coauteurs ont également maintenu la pièce dans l’obscurité 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 de ce type, il est important de faire des études operando« , a déclaré M. Strzalka. « De la même manière que votre mécanicien veut faire tourner 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.« 

M. Strzalka a fait remarquer que l’APS est en train d’effectuer une importante mise à niveau qui multipliera par 500 la luminosité de ses radiographies. Lorsqu’elle sera terminée, a-t-il ajouté, les faisceaux plus lumineux et les détecteurs plus rapides et plus précis permettront aux scientifiques de repérer ces changements avec encore plus de sensibilité.

Cela pourrait aider l’équipe du Rice à modifier les matériaux pour obtenir des performances encore meilleures. « Nous sommes sur le point d’obtenir une efficacité supérieure à 20 % en modifiant les cations et les interfaces« , a déclaré M. Sidhik. « Cela changerait tout dans le domaine des pérovskites, car on commencerait alors à utiliser des pérovskites 2D pour des tandems pérovskite 2D/silicium et pérovskite 2D/3D, ce qui pourrait permettre des rendements proches de 30 %. Cela rendrait la commercialisation attrayante« .

CREDIT : Jeff Fitlow/Rice University

Les coauteurs de l’article sont les étudiants diplômés de Rice Jin Hou, Hao Zhang et Austin Fehr, l’étudiant de premier cycle Joseph Essman, l’étudiant en échange Yafei Wang et le coauteur Jean-Christophe Blancon, un chercheur principal du laboratoire Mohite ; Boubacar Traore, Claudine Katan de 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.

The Army Research Office, the Academic Institute of France, the National Science Foundation (20-587, 1724728), the Office of Naval Research (N00014-20-1- 2725) and the DOE Office of Science (AC02‐06CH11357) supported the research.