Wenbin Li, étudiant diplômé de l’Université Rice, prépare une cellule solaire à pérovskite 2D pour la tester dans un simulateur solaire. Les ingénieurs de Rice ont amélioré l’efficacité des cellules constituées de pérovskites bidimensionnelles tout en conservant leur ténacité. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
À l’aide des rayons X ultralumineux de Advanced Photon Source, les chercheurs ont déterminé que la lumière du soleil elle-même peut améliorer l’efficacité des matériaux 2D utilisés pour collecter l’énergie solaire.
Une équipe de chercheurs dirigée par l’Université Rice a atteint une nouvelle référence dans la conception de cellules solaires atomiquement minces faites de pérovskites semi-conductrices, augmentant leur efficacité tout en conservant leur capacité à résister à l’environnement.
Aditya Mohite de Rice et ses collègues ont découvert que la lumière du soleil elle-même contracte suffisamment l’espace entre les couches atomiques dans les pérovskites 2D pour améliorer l’efficacité photovoltaïque du matériau jusqu’à 18%, un bond étonnant dans un domaine où les progrès sont souvent mesurés en fractions de pour cent.
“En 10 ans, l’efficacité des pérovskites est passée d’environ 3% à plus de 25%”, a déclaré Mohite. « D’autres semi-conducteurs ont mis environ 60 ans pour en arriver là. C’est pourquoi nous sommes si excités.
« De la même manière que votre mécanicien veut faire fonctionner 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. – Joe Strzalka, Laboratoire national d’Argonne
L’équipe a utilisé les ressources de la source avancée de photons (APS), une installation utilisateur du bureau des sciences du département américain de l’Énergie (DOE) au laboratoire national d’Argonne du DOE, pour confirmer la découverte. La recherche a été publiée récemment dans Nature Nanotechnologie.
Les pérovskites sont des composés qui ont des réseaux cristallins cubiques et sont des collecteurs de lumière très efficaces. Leur potentiel est connu depuis des années, mais ils présentent une énigme : ils sont bons pour convertir la lumière du soleil en énergie, mais la lumière du soleil et l’humidité les dégradent.
“Une technologie de cellule solaire devrait fonctionner pendant 20 à 25 ans”, a déclaré Mohite. « Nous travaillons depuis de nombreuses années et continuons à travailler avec des pérovskites en vrac qui sont très efficaces mais pas aussi stables. En revanche, les pérovskites 2D ont une stabilité énorme mais ne sont pas assez efficaces pour être posées sur un toit. Le gros problème a été de les rendre efficaces sans compromettre la stabilité.
Les ingénieurs de Rice et leurs collaborateurs des universités Purdue et Northwestern ; les laboratoires nationaux du DOE Los Alamos, Argonne et Brookhaven ; et l’Institut d’électronique et de technologies numériques (INSA) de Rennes, en France, a découvert que dans certaines pérovskites 2D, la lumière du soleil réduit efficacement l’espace entre les atomes, améliorant ainsi leur capacité à transporter un courant.
“Nous constatons que lorsque vous allumez le matériau, vous le pressez comme une éponge et réunissez les couches pour améliorer le transport de charge dans cette direction”, a déclaré Mohite. Les chercheurs ont découvert que le fait de placer une couche d’ions organiques positifs entre l’iodure en haut et le plomb en bas améliorait les interactions entre les couches.
“Ce travail a des implications importantes pour l’étude des états excités et des quasiparticules dans lesquels une charge positive se trouve sur une couche et la charge négative se trouve sur l’autre et ils peuvent se parler”, a déclaré Mohite. « Ceux-ci sont appelés excitons, qui peuvent avoir des propriétés uniques. »
Pour observer la contraction du matériau en action, l’équipe a utilisé deux installations d’utilisateurs du DOE Office of Science : la National Synchrotron Light Source II au Brookhaven National Laboratory du DOE et l’APS.
Le physicien d’Argonne Joe Strzalka, co-auteur de l’article, a utilisé les rayons X ultra-lumineux de l’APS pour capturer de minuscules changements structurels dans le matériau en temps réel. Les instruments sensibles de la ligne de lumière 8-ID-E de l’APS permettent des études « operando », c’est-à-dire celles menées alors que l’appareil 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 co-auteurs ont également maintenu la pièce dans l’obscurité et augmenté la température, observant l’effet inverse : une expansion du matériau. Cela montrait que c’était la lumière elle-même, et non la chaleur qu’elle générait, qui provoquait la transformation.
“Pour des changements comme celui-ci, il est important de faire des études operando”, a déclaré Strzalka. « De la même manière que votre mécanicien veut faire fonctionner 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.
Les expériences ont été confirmées par des modèles informatiques par des collègues en France. “Cette étude a offert une opportunité unique de combiner des techniques de simulation de pointe, des études de matériaux utilisant des installations de rayonnement synchrotron national à grande échelle et des caractérisations in situ de cellules solaires en fonctionnement”, a déclaré Jacky Even, professeur de physique à l’Institut national des sciences. Appliqués. “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 une intensité solaire, les pérovskites 2D se contractaient 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 cinq intensités solaires.
“Cela ne semble pas beaucoup, mais cette contraction de 1% de l’espacement du réseau induit une grande amélioration du flux d’électrons”, a déclaré Wenbin Li, étudiant diplômé et co-auteur principal de Rice. « Nos recherches montrent une multiplication par trois de la conduction électronique du matériau. »
Dans le même temps, la nature du treillis a rendu le matériau moins sujet à la dégradation, même lorsqu’il est chauffé à 80 degrés Celsius (176 degrés Fahrenheit). Les chercheurs ont également découvert que le réseau s’est rapidement détendu pour revenir à sa configuration normale une fois la lumière éteinte.
“L’un des principaux attraits des pérovskites 2D était qu’elles contiennent 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 de l’Université Rice et co-auteur principal. « Les pérovskites 3D sont sujettes à la chaleur et à la lumière, c’est pourquoi les chercheurs ont commencé à placer des couches 2D sur des pérovskites en vrac pour voir s’ils pouvaient tirer le meilleur parti des deux. Nous avons pensé, passons à la 2D uniquement et rendons-la efficace.
Strzalka a noté que l’APS est au milieu d’une mise à niveau majeure qui augmentera la luminosité de ses rayons X jusqu’à 500 fois. Une fois terminé, a-t-il déclaré, les faisceaux plus brillants et les détecteurs plus rapides et plus précis amélioreront la capacité des scientifiques à détecter ces changements avec encore plus de sensibilité.
Cela pourrait aider l’équipe Rice à peaufiner les matériaux pour des performances encore meilleures.
« Nous sommes sur la bonne voie pour obtenir une efficacité supérieure à 20 % », a déclaré Sidhik. « Cela changerait tout dans le domaine des pérovskites, car les gens commenceraient alors à utiliser des pérovskites 2D pour les tandems pérovskite/silicium 2D et pérovskite 2D/3D, ce qui pourrait permettre des rendements approchant les 30 %. Cela le rendrait attrayant pour la commercialisation.
Pour en savoir plus sur cette recherche, consultez la percée de l’énergie solaire : les cellules solaires ultrafines utilisant des pérovskites 2D obtiennent un coup de pouce.
Référence : « contraction intercalaire activée par la lumière dans des pérovskites bidimensionnelles pour des cellules solaires à haute efficacité » par Wenbin Li, Siraj Sidhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Hou, Hao Zhang, Austin Fehr, Joseph Essman, Yafei Wang, Justin M Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Katan, Muhammad A. Alam, Mercouri G. Kanatzidis, Jacky Even, Jean-Christophe Blancon et Aditya D. Mohite, 22 novembre 2021, Nature Nanotechnologie.
DOI : 10.1038 / s41565-021-01010-2
