Presser un matériau Rockstar pourrait le rendre suffisamment solide pour les cellules solaires


Presser un matériau Rockstar pourrait le rendre suffisamment robuste pour les cellules solaires

Des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory et de l’Université de Stanford ont découvert que lorsqu’un d’halogénure de plomb prometteur est comprimé dans une cellule d’enclume de diamant (à gauche), une soi-disant «pérovskite noire» (à droite) se forme, qui est stable pour les applications d’énergie solaire. Crédit photo: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Parmi les matériaux connus sous le nom de pérovskites, l’un des plus intéressants est un matériau capable de convertir la lumière du en électricité aussi efficacement que les cellules au silicium du commerce d’aujourd’hui et a le potentiel d’être beaucoup moins cher et plus facile à fabriquer.

Il n’y a qu’un seul problème: sur les quatre configurations ou phases atomiques possibles que ce matériau peut prendre, trois sont efficaces, mais instables à température ambiante et dans des environnements normaux, et ils reviennent rapidement à la quatrième phase, qui est totalement inutile pour les applications solaires.

Désormais, des scientifiques de l’Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’Énergie ont mis au point une nouvelle solution: il suffit de placer la version inutile du matériau dans une cellule à enclume en diamant et de la comprimer à haute température. Ce traitement amène sa structure atomique dans une configuration efficace et la maintient ainsi même à température ambiante et dans un air relativement humide.

Les chercheurs ont décrit leurs résultats dans Communication de la nature.

« Il s’agit de la première étude à faire pression pour contrôler cette stabilité, et elle ouvre vraiment de nombreuses possibilités », a déclaré Yu Lin, scientifique du SLAC et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).

«Maintenant que nous avons trouvé cette façon optimale de préparer le matériau», a-t-elle déclaré, «il est possible de le mettre à l’échelle pour la production industrielle et d’utiliser la même approche pour manipuler d’autres phases de pérovskite».

Une recherche de stabilité

Les pérovskites tirent leur nom d’un minéral naturel avec la même structure atomique. Dans ce cas, les scientifiques ont examiné une pérovskite à halogénure de plomb, qui est une combinaison d’iode, de plomb et de césium.

Une phase de ce matériau connue sous le nom de phase jaune n’a pas de véritable structure pérovskite et ne peut pas être utilisée dans les cellules solaires. Cependant, il y a quelque temps, des scientifiques ont découvert que lorsqu’il est traité d’une certaine manière, il se transforme en une phase de pérovskite noire qui convertit la lumière du soleil en électricité de manière extrêmement efficace. «Cela l’a rendu très recherché et a fait l’objet de nombreuses recherches», a déclaré Wendy Mao, professeur à Stanford et co-auteur de l’étude.

Malheureusement, ces phases noires sont également structurellement instables et ont tendance à revenir rapidement à la configuration inutile. De plus, ils ne fonctionnent qu’avec une efficacité élevée à des températures élevées, a déclaré Mao, et les chercheurs doivent surmonter ces deux problèmes avant de pouvoir être utilisés dans des appareils pratiques.

Des tentatives ont déjà été faites pour stabiliser les phases noires avec la chimie, le stress ou la température, mais uniquement dans un environnement sans humidité qui ne reflète pas les conditions réelles dans lesquelles les cellules solaires fonctionnent. Cette étude a combiné la pression et la température dans un environnement de travail plus réaliste.

La pression et la chaleur font l’affaire

En collaboration avec des collègues des groupes de recherche de Mao à Stanford et le professeur Hemamala Karunadasa, Lin et postdoc Feng Ke ont conçu une structure dans laquelle des cristaux de phase jaune étaient pressés entre les pointes de diamant dans une cellule dite à enclume de diamant. La pression étant toujours active, les cristaux ont été chauffés à 450 degrés Celsius puis refroidis.

Sous la bonne combinaison de pression et de température, les cristaux sont passés du jaune au noir et sont restés dans la phase noire après le relâchement de la pression, ont déclaré les scientifiques. Ils étaient résistants à la détérioration de l’air humide et sont restés stables et efficaces à température ambiante pendant 10 à 30 jours ou plus.

L’examen aux rayons X et d’autres techniques a confirmé le changement dans la structure cristalline du matériau, et les calculs des théoriciens du SIMES Chunjing Jia et Thomas Devereaux ont permis de comprendre comment la pression a changé la structure et conservé la phase noire.

La pression nécessaire pour les cristaux noirs et les maintenir ainsi était d’environ 1 000 à 6 000 fois la pression atmosphérique, a déclaré Lin – environ un dixième des pressions couramment utilisées dans l’industrie du diamant synthétique. L’un des objectifs des recherches ultérieures sera donc de transférer ce que les chercheurs ont appris de leurs expériences avec les cellules à enclume en diamant à l’industrie et de mettre à l’échelle le processus pour l’intégrer dans le domaine de la fabrication.


Premier aperçu des polarons se formant dans un matériau énergétique prometteur de la prochaine génération


Plus d’information:
Feng Ke et al., Obtention d’une phase de pérovskite CsPbI3 robuste par inclinaison octaédrique dirigée par la pression, Communication de la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41467-020-20745-5

Fourni par le SLAC National Accelerator Laboratory

Citation: un matériau Rockstar pourrait le rendre suffisamment stable pour que les cellules solaires (2021, 21 janvier) soient publiées le 21 janvier 2021 sur https://phys.org/news/2021-01-rock-star-material-stable -solar- ont été récupérés. cell.html

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