UN pérovskite Une cellule solaire développée par des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego rapproche les chercheurs du dépassement du plafond de l’efficacité des cellules solaires, suggère une étude publiée dans La nature.
Crédit image : Partonez via Wikimédia Commons (CC BY-SA 4.0)
La nouvelle cellule solaire est un matériau pérovskite de faible dimension sans plomb avec une structure cristalline à super-réseau, une première dans le domaine. La particularité de ce matériau est qu’il présente une dynamique de porteur efficace en trois dimensions et que l’orientation de son dispositif peut être perpendiculaire aux électrodes. Jusqu’à présent, les matériaux de cette classe particulière de pérovskites n’ont présenté une telle dynamique qu’en deux dimensions – une cellule solaire orientée perpendiculairement n’a jamais été signalée.
Grâce à sa structure spécifique, ce nouveau type de cellule solaire à super-réseau atteint un rendement de 12,36 %, ce qui est le plus élevé signalé pour les cellules solaires à pérovskite de faible dimension sans plomb (l’efficacité du précédent détenteur du record est de 8,82 %). La nouvelle cellule solaire a également une tension inhabituelle en circuit ouvert de 0,967 V, ce qui est supérieur à la limite théorique de 0,802 V. Les deux résultats ont été certifiés indépendamment.
La tension en circuit ouvert est une propriété de la cellule solaire qui contribue à son efficacité, de sorte que cette nouvelle cellule solaire « pourrait avoir le potentiel de briser la limite d’efficacité théorique des cellules solaires actuelles », a déclaré l’auteur principal de l’étude Sheng Xu, professeur de nanoingénierie à l’UC San Diego. « Cela pourrait un jour nous permettre d’atteindre une plus grande efficacité avec plus d’électricité à partir de panneaux solaires existants, ou de générer la même quantité d’électricité à partir de panneaux solaires plus petits à moindre coût. »
Les chercheurs émettent l’hypothèse que l’amélioration de la tension en circuit ouvert du matériau pourrait être attribuée à un nouveau mécanisme physique qu’ils appellent la relaxation des porteurs intrabande. La structure de super-réseau unique du matériau permet aux différents composants de la cellule solaire de s’intégrer dans la direction verticale, ce qui crée une structure à double bande à l’échelle atomique. Sous la lumière, les électrons excités pourraient se détendre d’un composant (région de bande interdite plus petite) à un autre composant (région de bande interdite plus grande) avant de s’équilibrer pour modifier les niveaux de fermi dans la cellule solaire du super-réseau. Cela contribue à une tension en circuit ouvert plus élevée. Il est vérifié que ce processus est lié au potentiel intégré dans la cellule solaire à super-réseau. Les chercheurs reconnaissent également que d’autres mécanismes possibles se produisent dans la structure unique du super-réseau qui pourraient contribuer à sa tension de circuit ouvert inhabituellement élevée.
Les chercheurs ont utilisé des techniques d’épitaxie chimique pour fabriquer un réseau cristallin de super-réseau afin de créer la nouvelle cellule solaire à pérovskite de faible dimension sans plomb. La structure du réseau est unique en ce sens qu’elle se compose de puits quantiques de pérovskite alignés verticalement et entrecroisés. Cette structure entrecroisée rend la dynamique des porteurs du matériau, qui comprend la mobilité des électrons, la durée de vie et les chemins de conduction dans les trois dimensions, plus efficace que le simple fait d’avoir plusieurs puits quantiques. Ces techniques peuvent potentiellement être utilisées pour créer des super-réseaux de pérovskite de différentes compositions.
« Ce super-réseau de pérovskite démontre une performance de transport de porteurs sans précédent dont de nombreux chercheurs dans le domaine ont rêvé », a déclaré Yusheng Lei, l’auteur principal de cet article, qui était titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Xu à l’UC San Diego et est maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford.
Le super-réseau se compose d’une séparation de phase nanotechnologique entre Bi3+ régions Sn-I alliées et intactes dans des puits quantiques multiples alignés verticalement. Les chercheurs ont expliqué que cette composition crée des variations de composants à l’échelle atomique, permettant aux porteurs chauds de traverser rapidement l’interface hétérostructurale à puits quantiques multiples avant de se détendre, un exploit généralement impossible à réaliser. Ici, c’est possible en raison de la courte longueur de diffusion nécessaire pour traverser l’interface hétérostructurale.
« Ce travail ouvre beaucoup de nouveaux potentiels passionnants pour la classe des matériaux pérovskites de faible dimension sans plomb », a déclaré Xu. À l’avenir, l’équipe travaillera à l’optimisation et à l’intensification du processus de fabrication pour fabriquer les cristaux de super-réseau, ce qui est actuellement encore laborieux et difficile. Xu espère engager des partenaires dans l’industrie des cellules solaires pour normaliser le processus.
La source: UCSD
