Les chercheurs ont développé une méthode pour stabiliser un matériau prometteur connu sous le nom de pérovskite pour les cellules solaires bon marché, sans compromettre ses performances presque parfaites. Crédit : Université de Cambridge
Les chercheurs ont développé une méthode pour stabiliser un matériau prometteur connu sous le nom de pérovskite pour les cellules solaires bon marché, sans compromettre ses performances presque parfaites.
Les chercheurs de l’Université de Cambridge ont utilisé une molécule organique comme « modèle » pour guider les films de pérovskite dans la phase souhaitée au fur et à mesure qu’ils se forment. Leurs résultats sont publiés dans la revue La science.
Les matériaux pérovskites offrent une alternative moins chère au silicium pour la production de dispositifs optoélectroniques tels que les cellules solaires et les LED.
Il existe de nombreuses pérovskites différentes, résultant de différentes combinaisons d’éléments, mais l’une des plus prometteuses à émerger ces dernières années est la FAPbI à base de formamidinium (FA).3 cristal.
Le composé est thermiquement stable et sa “bande interdite” inhérente – la propriété la plus étroitement liée à la production d’énergie de l’appareil – n’est pas loin d’être idéale pour les applications photovoltaïques.
Pour ces raisons, il a fait l’objet d’efforts pour développer des cellules solaires à pérovskite disponibles dans le commerce. Cependant, le composé peut exister en deux phases légèrement différentes, l’une conduisant à d’excellentes performances photovoltaïques et l’autre à très peu de rendement énergétique.
« Un gros problème avec FAPbI3 c’est que la phase que vous voulez n’est stable qu’à des températures supérieures à 150 degrés Celsius», a déclaré le co-auteur Tiarnan Doherty du laboratoire Cavendish de Cambridge. « À température ambiante, il passe à une autre phase, ce qui est vraiment mauvais pour le photovoltaïque. »
Des solutions récentes pour maintenir le matériau dans sa phase souhaitée à des températures plus basses ont impliqué l’ajout de différents ions positifs et négatifs dans le composé.
“Cela a été un succès et a conduit à enregistrer des appareils photovoltaïques, mais il y a encore des pertes de puissance locales qui se produisent”, a déclaré Doherty. « Vous vous retrouvez avec des régions locales dans le film qui ne sont pas dans la bonne phase. »
On savait peu de choses sur les raisons pour lesquelles les ajouts de ces ions ont amélioré la stabilité globale, ou même à quoi ressemblait la structure de pérovskite résultante.
“Il y avait ce consensus commun que lorsque les gens stabilisent ces matériaux, ils sont une structure cubique idéale”, a déclaré Doherty. « Mais ce que nous avons montré, c’est qu’en ajoutant toutes ces autres choses, elles ne sont pas du tout cubiques, elles sont très légèrement déformées. Il y a une distorsion structurelle très subtile qui donne une certaine stabilité inhérente à température ambiante.
La distorsion est si mineure qu’elle n’avait pas été détectée auparavant, jusqu’à ce que Doherty et ses collègues utilisent des techniques de mesure structurelles sensibles qui n’ont pas été largement utilisées sur les matériaux pérovskites.
L’équipe a utilisé la diffraction électronique à balayage, la diffraction des nano-rayons X et la résonance magnétique nucléaire pour voir, pour la première fois, à quoi ressemblait réellement cette phase stable.
“Une fois que nous avons compris que c’était la légère distorsion structurelle donnant cette stabilité, nous avons cherché des moyens d’y parvenir dans la préparation du film sans ajouter d’autres éléments dans le mélange.”
Le co-auteur Satyawan Nagane a utilisé une molécule organique appelée Ethylènediaminetétraacétique acide (EDTA) en tant qu’additif dans la solution de précurseur de pérovskite, qui agit comme un agent modèle, guidant la pérovskite dans la phase souhaitée au fur et à mesure de sa formation. L’EDTA se lie au FAPbI3 surface pour donner un effet structure-directeur, mais ne s’intègre pas dans le FAPbI3 structure elle-même.
“Avec cette méthode, nous pouvons atteindre la bande interdite souhaitée car nous n’ajoutons rien de plus dans le matériau, c’est juste un modèle pour guider la formation d’un film avec la structure déformée – et le film résultant est extrêmement stable”, a déclaré Nagane.
“De cette façon, vous pouvez créer cette structure légèrement déformée dans le FAPbI vierge3 composé, sans modifier les autres propriétés électroniques de ce qui est essentiellement un composé presque parfait pour le photovoltaïque à pérovskite », a déclaré le co-auteur Dominik Kubicki du laboratoire Cavendish, qui est maintenant basé au Université de Warwick.
Les chercheurs espèrent que cette étude fondamentale contribuera à améliorer la stabilité et les performances de la pérovskite. Leurs propres travaux futurs consisteront à intégrer cette approche dans des prototypes de dispositifs pour explorer comment cette technique peut les aider à obtenir les cellules photovoltaïques à pérovskite parfaites.
“Ces résultats modifient notre stratégie d’optimisation et nos directives de fabrication pour ces matériaux”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Sam Stranks, du département de génie chimique et de biotechnologie de Cambridge. « Même les petites poches qui ne sont pas légèrement déformées entraîneront des pertes de performances, et les lignes de fabrication devront donc avoir un contrôle très précis de la manière et de l’endroit où les différents composants et additifs « déformants » sont déposés. Cela garantira que la petite distorsion est uniforme partout – sans exception. »
Le travail était une collaboration avec le Source de lumière diamant et le Centre d’imagerie des sciences physiques électroniques (ePSIC), collège impérial de Londres, Université de Yonsei, Université et recherche de Wageningen et Université de Leeds.
Référence : « Les pérovskites aux halogénures d’octaèdres inclinés stabilisés inhibent la formation locale de phases limitant les performances » 23 décembre 2021, La science.
DOI : 10.1126/science.abl4890
