Les pérovskites entièrement inorganiques se comparent bien à leurs homologues hybrides en termes d’efficacité. Crédit : Illustration par Xie Zhang
De nouvelles recherches montrent que les cellules solaires à pérovskite entièrement inorganiques sont très prometteuses pour améliorer l’efficacité des cellules solaires.
Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques ont déjà démontré des rendements photovoltaïques très élevés, supérieurs à 25 %. La sagesse dominante dans le domaine est que les molécules organiques (contenant du carbone et de l’hydrogène) dans le matériau sont cruciales pour atteindre cette performance impressionnante, car elles sont censées supprimer la recombinaison des porteurs assistée par défaut.
De nouvelles recherches dans le département des matériaux de l’UC Santa Barbara ont montré non seulement que cette hypothèse est incorrecte, mais également que les matériaux entièrement inorganiques ont le potentiel de surpasser les pérovskites hybrides. Les résultats sont publiés dans l’article « All-inorganic halide perovskites as candidats for efficient solar cells », qui apparaît sur la couverture du numéro du 20 octobre 2021 de la revue. Rapports cellulaires Sciences physiques.
“Pour comparer les matériaux, nous avons effectué des simulations complètes des mécanismes de recombinaison”, a expliqué Xie Zhang, chercheur principal de l’étude. « Lorsque la lumière éclaire un matériau de cellule solaire, les porteurs photo-générés génèrent un courant ; la recombinaison au niveau des défauts détruit certains de ces porteurs et diminue donc l’efficacité. Les défauts agissent ainsi comme des tueurs d’efficacité.
Pour comparer les pérovskites inorganiques et hybrides, les chercheurs ont étudié deux matériaux prototypes. Les deux matériaux contiennent des atomes de plomb et d’iode, mais dans un matériau, la structure cristalline est complétée par l’élément inorganique césium, tandis que dans l’autre, la molécule organique de méthylammonium est présente.
Trier ces processus expérimentalement est extrêmement difficile, mais des calculs de mécanique quantique de pointe peuvent prédire avec précision les taux de recombinaison, grâce à une nouvelle méthodologie qui a été développée dans le groupe de professeur de matériaux UCSB Chris Van de Walle, qui a crédité Mark Turiansky, un étudiant diplômé supérieur du groupe, en aidant à écrire le code pour calculer les taux de recombinaison.
“Nos méthodes sont très puissantes pour déterminer quels défauts provoquent une perte de support”, a déclaré Turiansky. « Il est passionnant de voir l’approche appliquée à l’un des problèmes critiques de notre époque, à savoir la production efficace d’énergie renouvelable. »
L’exécution des simulations a montré que les défauts communs aux deux matériaux donnent lieu à des niveaux de recombinaison comparables (et relativement bénins). Cependant, la molécule organique de la pérovskite hybride peut se briser ; lorsque la perte d’atomes d’hydrogène se produit, les “lacunes” résultantes diminuent fortement l’efficacité. La présence de la molécule est donc au détriment, plutôt qu’un atout, de l’efficacité globale du matériau.
Pourquoi, alors, cela n’a-t-il pas été remarqué expérimentalement ? Principalement parce qu’il est plus difficile de faire pousser des couches de haute qualité de matériaux entièrement inorganiques. Ils ont tendance à adopter d’autres structures cristallines, et favoriser la formation de la structure souhaitée nécessite un effort expérimental plus important. Des recherches récentes ont montré, cependant, que la réalisation de la structure préférée est certainement faisable. Pourtant, la difficulté explique pourquoi les pérovskites entièrement inorganiques n’ont pas reçu autant d’attention à ce jour.
“Nous espérons que nos découvertes sur l’efficacité attendue stimuleront davantage d’activités visant à produire des pérovskites inorganiques”, a conclu Van de Walle.
Référence : « All-inorganic halide perovskites as candidats for efficient solar cells » par Xie Zhang, Mark E. Turiansky et Chris G. Van de Walle, 11 octobre 2021, Rapports cellulaires Sciences physiques.
DOI : 10.1016/j.xcrp.2021.100604
Le financement de cette recherche a été fourni par le ministère de l’Énergie Office of Science, Office of Basic Energy Sciences; les calculs ont été effectués au National Energy Research Scientific Computing Center.
