Dans le laboratoire de laser femtoseconde du Dr Dennis Friedrich à HZB, les propriétés de transport des semi-conducteurs peuvent être déterminées à l’aide de la spectroscopie térahertz ou micro-ondes. À cette fin, une impulsion de lumière laser excite d’abord les porteurs de charge dans le matériau, qui sont ensuite irradiés par des ondes électromagnétiques (soit THz, soit micro-ondes) et en absorbent une partie. Crédit : HZB
De nombreux matériaux semi-conducteurs sont des candidats possibles pour les cellules solaires. Ces dernières années, les semi-conducteurs pérovskites en particulier ont attiré l’attention, car ils sont à la fois peu coûteux et faciles à traiter et permettent des rendements élevés. Une étude à laquelle participent 15 institutions de recherche montre comment la spectroscopie térahertz (TRTS) et micro-ondes (TRMC) peut être utilisée pour déterminer de manière fiable la mobilité et la durée de vie des porteurs de charge dans les nouveaux matériaux semi-conducteurs. Grâce à ces données de mesure, il est possible de prédire à l’avance le rendement potentiel de la cellule solaire et de classer les pertes dans la cellule finie.
Les propriétés les plus importantes d’un semi-conducteur destiné à être utilisé comme cellule solaire comprennent la mobilité et la durée de vie des électrons et des “trous”. Ces deux quantités peuvent être mesurées sans contacts avec des méthodes spectroscopiques utilisant le rayonnement térahertz ou micro-ondes. Cependant, les données de mesure trouvées dans la littérature diffèrent souvent d’un ordre de grandeur. Il est donc difficile de les utiliser pour des évaluations fiables de la qualité des matériaux.
Echantillons de référence mesurés
“Nous avons voulu aller au fond des choses et avons contacté des experts de 15 laboratoires internationaux pour analyser les sources d’erreur et les problèmes typiques des mesures”, explique le Dr Hannes Hempel de l’équipe du HZB dirigée par le Dr Thomas Unold. Les physiciens du HZB ont envoyé à chaque laboratoire des échantillons de référence produits par l’équipe du Dr Martin Stolterfoht de l’Université de Potsdam avec le composé semi-conducteur perovskite (Cs,FA,MA)Pb(I,Br)3) optimisé pour la stabilité.
De meilleures données pour de meilleures prédictions
L’un des résultats de ce travail conjoint est la détermination beaucoup plus précise des propriétés de transport par spectroscopie térahertz ou micro-ondes. “Nous avons pu identifier certains points névralgiques dont il faut tenir compte avant de procéder aux mesures proprement dites, ce qui nous permet d’obtenir une concordance nettement meilleure des résultats”, souligne M. Hempel.
Un autre résultat de l’étude : Avec des données de mesure fiables et une analyse plus poussée, les caractéristiques de la cellule solaire peuvent également être calculées plus précisément. “Nous pensons que cette analyse est d’un grand intérêt pour la recherche photovoltaïque, car elle prédit le rendement maximal possible du matériau dans une cellule solaire et révèle l’influence de divers mécanismes de perte, comme les barrières de transport”, explique Unold. Cela s’applique non seulement à la classe de matériaux des semi-conducteurs pérovskites, mais aussi à d’autres nouveaux matériaux semi-conducteurs, dont l’adéquation potentielle peut ainsi être testée plus rapidement.
Référence : “Predicting Solar Cell Performance from Terahertz and Microwave Spectroscopy” par Hannes Hempel, Tom J. Savenjie, Martin Stolterfoht, Jens Neu, Michele Failla, Vaisakh C. Paingad, Petr Kužel, Edwin J. Heilweil, Jacob A. Spies, Markus Schleuning, Jiashang Zhao, Dennis Friedrich, Klaus Schwarzburg, Laurens D. A. Siebbeles, Patrick D. K. K. K., et d’autres. A. Siebbeles, Patrick Dörflinger, Vladimir Dyakonov, Ryuzi Katoh, Min Ji Hong, John G. Labram, Maurizio Monti, Edward Butler-Caddle, James Lloyd-Hughes, Mohammad M. Taheri, Jason B. Baxter, Timothy J. Magnanelli, Simon Luo, Joseph M. Cardon, Shane Ardo et Thomas Unold, 26 février 2022, Matériaux énergétiques avancés.
DOI : 10.1002/aenm.202102776
