Presser un matériau rock star pourrait le rendre suffisamment stable pour les cellules solaires – Technoguide

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

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

Maintenant, des scientifiques de l’Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’Énergie ont trouvé une nouvelle solution: il suffit de placer la version inutile du matériau dans une cellule à enclume en diamant et de la presser à haute température. Ce traitement pousse 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 Nature Communications.

«Il s’agit de la première étude à utiliser la pression pour contrôler cette stabilité, et cela ouvre vraiment beaucoup de possibilités», a déclaré Yu Lin, un 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», dit-elle, «il est possible de le mettre à l’échelle pour la production industrielle et d’utiliser cette 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 étudié 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 une véritable structure de pérovskite et ne peut pas être utilisée dans les cellules solaires. Cependant, les scientifiques ont découvert il y a quelque temps que si vous le traitez de certaines manières, il se transforme en une phase de pérovskite noire extrêmement efficace pour convertir la lumière du soleil en électricité. “Cela l’a rendu très recherché et l’objet de nombreuses recherches”, a déclaré le professeur de Stanford et co-auteur de l’étude, Wendy Mao.

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

Il y avait eu des tentatives précédentes pour stabiliser les phases noires avec la chimie, la souche ou la température, mais seulement dans un environnement sans humidité qui ne reflète pas les conditions du monde réel 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 Stanford de Mao et du professeur Hemamala Karunadasa, Lin et le chercheur postdoctoral Feng Ke ont conçu une configuration où des cristaux de phase jaune étaient pressés entre les pointes de diamants dans ce que l’on appelle une cellule d’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 causée par 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 préservé la phase noire.

La pression nécessaire pour rendre les cristaux noirs et les garder 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 de la recherche future sera donc de transférer ce que les chercheurs ont appris de leurs expériences sur les cellules d’enclume de diamant à l’industrie et d’intensifier le processus pour le faire entrer dans le domaine de la fabrication.

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