Le secret des matériaux de cellules solaires innovants hautes performances révélés avec une clarté époustouflante


Le secret des matériaux de cellules solaires innovants hautes performances révélés avec une clarté époustouflante

Vue d’artiste électrons qui se dirigent vers des zones de haute qualité du matériau pérovskite. Crédit photo : Alex T. aux studios Ella Maru

Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont utilisé un certain nombre de méthodes de microscopie multimodales corrélatives pour visualiser, pour la première fois, pourquoi les matériaux pérovskites semblent si tolérants aux défauts de leur structure. Leurs résultats ont été publiés aujourd’hui dans. publié Nanotechnologie naturelle.

Le matériau le plus couramment utilisé pour fabriquer des modules solaires est le silicium cristallin, mais une conversion efficace de l’énergie nécessite un processus de production énergivore et chronophage pour créer la structure de plaquette d’ordre élevé requise.

Au cours de la dernière décennie, les matériaux pérovskites sont apparus comme des alternatives prometteuses.

Les sels de plomb utilisés pour les fabriquer sont beaucoup plus courants et moins chers à fabriquer que le silicium cristallin, et ils peuvent être fabriqués dans une encre liquide qui est simplement imprimée pour créer un film du matériau. Ils présentent également un grand potentiel pour d’autres applications optoélectroniques telles que les diodes électroluminescentes (DEL) à haut rendement énergétique et les détecteurs de rayons X.

Les impressionnantes des pérovskites sont surprenantes. Le modèle typique d’un excellent semi-conducteur est une structure très ordonnée, mais la disposition de divers éléments chimiques combinés dans des pérovskites crée un paysage beaucoup plus « désordonné ».

Cette hétérogénéité conduit à des défauts de matériaux qui conduisent à des « pièges » nanométriques qui réduisent les performances photovoltaïques des dispositifs. Mais malgré ces défauts, les matériaux pérovskites ont toujours des efficacités comparables à leurs alternatives au silicium.

En fait, des recherches antérieures du groupe ont montré que la structure désordonnée peut en fait augmenter les performances de l’optoélectronique pérovskite, et leurs derniers travaux tentent d’expliquer pourquoi.

En combinant un certain nombre de nouvelles techniques de microscopie, le groupe présente une image complète du paysage chimique, structurel et optoélectronique à l’ nanométrique de ces matériaux, révélant les interactions complexes entre ces facteurs concurrents et montrant finalement ce qui prévaut.

« Ce que nous voyons, c’est que deux formes de troubles se produisent en parallèle », explique Ph.D. Etudiant Kyle Frohna, « la électronique associée aux défauts qui réduisent les performances, puis la perturbation chimique spatiale qui semble l’améliorer.

« Et ce que nous avons découvert, c’est que la perturbation chimique – dans ce cas la « bonne » perturbation – atténue la « mauvaise » perturbation due aux défauts en détournant les porteurs de charge des pièges dans lesquels ils pourraient autrement se coincer.  »

En collaboration avec le laboratoire Cavendish de Cambridge, l’installation de synchrotron Diamond Light Source à Didcot et l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa au Japon, les chercheurs ont utilisé différentes techniques microscopiques pour examiner les mêmes régions dans le film de pérovskite. Vous pourrez ensuite comparer les résultats de toutes ces méthodes pour présenter une image complète de ce qui se passe au niveau nano dans ces nouveaux matériaux prometteurs.

« L’idée est que nous faisons quelque chose comme la microscopie multimodale, ce qui est une façon très élégante de dire que nous examinons la même zone de l’échantillon avec plusieurs microscopes différents et essayons essentiellement d’utiliser les propriétés que nous tirons. sur une Les propriétés que nous tirons sont corrélées les unes aux autres « , dit Frohna. Ces expériences demandent beaucoup de temps et de ressources, mais les récompenses que vous obtenez en termes d’informations que vous pouvez extraire sont excellentes. « 

Les résultats permettront au groupe et à d’autres dans le domaine d’affiner davantage la fabrication de cellules solaires à pérovskite pour maximiser l’efficacité.

« Pendant longtemps, les gens ont jeté le de tolérance aux pannes, mais c’est la première fois que quelqu’un l’a correctement visualisé pour comprendre ce que signifie réellement être tolérant aux pannes avec ces matériaux.

« Sachant que ces deux troubles concurrents jouent l’un contre l’autre, nous pouvons réfléchir à la manière dont nous pouvons moduler efficacement l’un pour atténuer les effets de l’autre de la manière la plus bénéfique. »

« En termes de nouveauté de l’approche expérimentale, nous avons suivi une stratégie de microscopie multimodale corrélative, mais pas seulement cela, chaque technique à part entière est innovante », déclare Miguel Anaya, chercheur à la Royal Academy of Engineering Research Fellow au Cambridge Department of Chemical Ingénierie et biotechnologie

« Nous avons visualisé et expliqué pourquoi nous pouvons appeler ces matériaux tolérants aux défauts. Cette méthodologie permet de nouvelles façons de les optimiser à l’échelle nanométrique afin d’obtenir de meilleures performances pour une application ciblée. Nous pouvons maintenant examiner d’autres types de pérovskites qui conviennent non seulement aux cellules solaires, mais également aux LED ou aux détecteurs et comprendre leur fonctionnement.

« Plus important encore, la collection d’outils d’acquisition que nous avons développés dans ce travail peut être étendue pour inclure tout autre matériau optoélectronique, qui pourrait être d’un grand intérêt pour la communauté plus large de la science des matériaux. »

« Avec ces visualisations, nous comprenons maintenant beaucoup mieux le paysage à l’échelle nanométrique de ces fascinants semi-conducteurs – le bon, le mauvais et le laid », déclare Sam Strranks, professeur adjoint d’université en énergie au département de génie chimique et de biotechnologie de Cambridge.

« Ces résultats expliquent comment l’optimisation empirique sur le terrain de ces matériaux a abouti à des performances aussi élevées pour ces pérovskites à composition mixte. »


Les semi-conducteurs pérovskites aux halogénures métalliques peuvent concurrencer leurs homologues au silicium pour les cellules solaires et les LED


Plus d’information:
Miguel Anaya, L’hétérogénéité chimique à l’échelle nanométrique domine la réaction optoélectronique des cellules solaires en pérovskite alliée, Nanotechnologie naturelle (2021). DOI : 10.1038 / s41565-021-01019-7. www.nature.com/articles/s41565-021-01019-7

Fourni par l’Université de Cambridge

Citation: Le secret des nouveaux matériaux de cellules solaires performances révélés avec une clarté à couper le souffle (2021, 22 novembre), consulté le 22 novembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-11-mystery-high-solar-cell- matériaux.html

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