Une équipe co-dirigée par des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego a mis au point une nouvelle méthode pour rendre les cellules solaires à pérovskite — une technologie solaire de nouvelle génération prometteuse — plus efficaces et plus durables. En créant un liquide temporaire pendant la cristallisation du matériau, les chercheurs ont pu faire croître des cristaux de pérovskite plus grands, plus uniformes et contenant moins de défauts.
Les cellules solaires, éléments constitutifs des grands panneaux solaires, et les diodes électroluminescentes fabriquées avec ces pérovskites ont atteint des rendements allant d’environ 24 % à 26 %, ce qui se situe dans le haut de la fourchette pour les dispositifs à base de pérovskite. Les cellules solaires ont également conservé la majeure partie de leur rendement initial après huit semaines de fonctionnement continu sous lumière solaire simulée.
Les pérovskites sont une classe de matériaux susceptibles de permettre la réalisation de cellules solaires à bas coût et à haut rendement. Contrairement aux cellules solaires en silicium conventionnelles, les pérovskites peuvent être transformées à partir de solutions et déposées sous forme de films minces, ce qui pourrait également permettre une fabrication plus simple et moins énergivore.
Mais la fabrication d’une cellule solaire à pérovskite de haute qualité est difficile. Les films de pérovskite sont généralement composés de nombreux petits cristaux agglomérés. Les interfaces entre ces cristaux, appelées joints de grains, peuvent contenir des défauts qui entraînent la perte d’une partie de l’énergie captée à partir de la lumière du soleil. Ces défauts peuvent devenir un problème encore plus important lorsqu’on cherche à fabriquer de plus grands panneaux solaires, où le rendement diminue à mesure que le dispositif s’agrandit.
L’équipe a mis au point une méthode pour faire croître des pérovskites comportant moins de ces défauts. Les chercheurs de l’UC San Diego, dirigés par David Fenning, professeur et titulaire de la chaire dotée Francine Berman au département d’ingénierie chimique et nano de la famille Aiiso Yufeng Li de l’école d’ingénieurs Jacobs de l’UC San Diego, ont collaboré avec des chercheurs de l’Université de Princeton et de l’Université Sungkyunkwan, en République de Corée.
Leur étude a porté sur un type de matériau appelé pérovskite aux halogénures. Ils ont mélangé deux sels supplémentaires — le bromure de zinc et le chlorure de méthylammonium — dans la solution utilisée pour fabriquer la pérovskite. Lors du chauffage du matériau, les deux additifs ont formé un mélange à bas point de fusion appelé eutectique.
L’eutectique a servi de liquide temporaire autour des frontières entre les cristaux en croissance, ce qui a donné à ces cristaux l’espace nécessaire pour se réorganiser et croître en une structure plus ordonnée. Pendant que le matériau était chauffé en continu, l’un des composants des additifs, le chlorure de méthylammonium, s’est évaporé. Le zinc est resté concentré autour des frontières des cristaux, où il a contribué à neutraliser les défauts électroniques.
« Nous introduisons une nouvelle façon d’ajuster la croissance des pérovskites aux halogénures en développant un mélange d’additifs qui évolue activement au cours de la cristallisation », a déclaré Connor Dolan, co-premier auteur de l’étude et docteur en génie chimique et nano-ingénierie diplômé du laboratoire de Fenning. « Ce qui est encore plus remarquable, c’est que le produit final élimine les défauts limitant les performances aux bords des grains cristallins. »
Les chercheurs ont utilisé des techniques d’imagerie aux rayons X avancées pour observer ce processus à des échelles extrêmement petites. Ils ont directement observé la preuve que le matériau situé autour des frontières des cristaux devient désordonné et liquide lors du chauffage, puis se réordonne à la même température, tandis que le sel supplémentaire s’évapore et que la croissance cristalline s’achève. Ils ont également constaté que ce traitement produit des cristaux plus grands et mieux ordonnés, avec moins de défauts structurels et une répartition plus uniforme des propriétés chimiques du matériau. Les chercheurs espèrent généraliser ce curieux mécanisme de croissance solide-liquide-solide, puisque tout se produit à la même température.
Ces améliorations se sont traduites par des dispositifs plus performants.
Dans une cellule solaire, l’énergie de la lumière du soleil excite les électrons et laisse derrière eux des « trous » dans le matériau. La durée de vie de ces paires « électron-trou » avant leur recombinaison est un indicateur clé de la performance de la pérovskite, a expliqué Dolan. « Les pérovskites fabriquées avec les additifs formant un eutectique ont présenté les paires électron-trou les plus durables jamais rapportées pour un semi-conducteur à bande interdite directe, ce qui témoigne du potentiel de cette approche », a-t-il déclaré.
Les chercheurs ont également constaté que cette approche fonctionnait pour les différentes chimies de pérovskite qu’ils ont testées.
« On dirait que tout ce que nous avons essayé a fonctionné ! » a déclaré Dolan. « J’espère que ce mécanisme pourra se révéler véritablement généralisable et fournir une plateforme pour de nouvelles innovations au sein de la communauté des pérovskites. »
Les chercheurs explorent actuellement d’autres chimies eutectiques afin de mieux comprendre et contrôler le processus de cristallisation. Ces travaux pourraient finalement fournir une nouvelle stratégie pour produire des matériaux à base de pérovskite de meilleure qualité et contribuer à faire progresser le développement de technologies solaires efficaces et déployables à grande échelle.
Étude complète : « Eutectiques volatils pour adapter la cristallisation des optoélectroniques à pérovskite »
Ces travaux ont été soutenus par le département de l’Énergie des États-Unis ; la National Science Foundation des États-Unis ; les fonds de démarrage de l’Université de Princeton ; la National Research Foundation of Korea ; et le Korea Research Institute of Chemical Technology.
Article : Volatile eutectics to tailor crystallization for perovskite optoelectronics – Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude
Source : USCD
