De nouvelles recherches sont très prometteuses pour améliorer l’efficacité des cellules solaires

La pérovskite inorganique se compare bien à ses homologues hybrides en termes d’efficacité. Crédit : Illustration par Xie Zhang

De nouvelles recherches montrent que les cellules solaires à pérovskite inorganique sont très prometteuses pour améliorer l’efficacité des cellules solaires.

La pérovskite hybride organique et inorganique a déjà démontré un rendement très élevé dans les cellules photovoltaïques de plus de 25 %. La sagesse dominante dans le domaine est que les molécules organiques (contenant du carbone et de l’hydrogène) dans le matériau sont essentielles pour atteindre cette performance étonnante, car elles sont censées empêcher la recombinaison des porteurs assistée par défaut.

De nouvelles recherches au Département des matériaux de l’Université de Californie à Santa Barbara, montrent non seulement que cette hypothèse est incorrecte, mais aussi que tous les matériaux inorganiques ont le potentiel de surpasser la pérovskite hybride. Les résultats sont publiés dans un article intitulé « 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 de cellule 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 brille sur le matériau de la cellule solaire, les porteurs photo-générés génèrent du courant; la recombinaison au niveau des défauts détruit certains de ces porteurs et réduit ainsi l’efficacité. Ainsi, les défauts agissent comme un tueur d’efficacité. “

Pour comparer la pérovskite inorganique et hybride, les chercheurs ont étudié deux matériaux modèles primaires. Les deux substances contiennent des atomes de plomb et d’iode, mais dans l’une, la structure cristalline est complétée par l’élément inorganique césium, tandis que dans l’autre se trouve la molécule organique méthylammonium.

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Trier expérimentalement ces processus est très difficile, mais les calculs de mécanique quantique modernes peuvent prédire avec précision les taux de recombinaison, grâce à la nouvelle méthodologie développée par le professeur Chris Van de Waal, du groupe UCSB Materials, qui attribue Mark. Turiansky, un étudiant diplômé du groupe, aide à écrire le code pour calculer les taux de recombinaison.

“Nos méthodes sont très puissantes pour identifier les défauts qui causent la perte de support”, a déclaré Turiansky. “C’est passionnant de voir l’approche appliquée à l’un des problèmes critiques de notre temps, la production efficace d’énergie renouvelable.”

Des simulations en cours ont montré que les défauts communs aux deux matériaux entraînent des niveaux de recombinaison comparables (et relativement bénins). Cependant, la molécule organique peut se dissocier dans la pérovskite hybride ; Lorsque la perte d’atomes d’hydrogène se produit, les “lacunes” résultantes réduisent considérablement l’efficacité. Ainsi, la présence de la molécule est préjudiciable à l’efficacité globale du matériau, pas un atout.

Pourquoi, alors, n’est-ce pas observé expérimentalement ? Cela est principalement dû à la difficulté de faire pousser des couches de haute qualité de matériaux complètement inorganiques. Ils ont tendance à adopter d’autres structures cristallines, et améliorer 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 possible. Cependant, la difficulté explique pourquoi la pérovskite inorganique n’a pas reçu la même attention jusqu’à présent.

“Nous espérons que nos découvertes sur les efficacités attendues stimuleront davantage d’activités axées sur la production de pérovskite inorganique”, a conclu van de Waale.

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Référence: “Pérovskite aux halogénures complètement inorganiques en tant que candidats pour des cellules solaires efficaces” Par Xie Zhang, Mark E. Turiansky et Chris G. Van de Walle, 11 octobre 2021, disponible ici. Rapports de cellule Sciences physiques.
DOI : 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

Cette recherche a été financée par le ministère de l’Énergie, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences; Les calculs ont été effectués au Centre de calcul scientifique pour la recherche énergétique nationale.

Jacinthe Poulin

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