Défaut qui limite les performances des cellules solaires des pérovskites hybrides identifié – Technoguide

Des chercheurs du département des matériaux du College of Engineering de l’UC Santa Barbara ont découvert une cause majeure de limitations d’efficacité dans une nouvelle génération de cellules solaires.

Divers défauts possibles dans le réseau de ce que l’on appelle les pérovskites hybrides avaient précédemment été considérés comme la cause potentielle de ces limitations, mais on a supposé que les molécules organiques (les composants responsables du surnom “hybride”) resteraient intactes. Des calculs de pointe ont maintenant révélé que les atomes d’hydrogène manquants dans ces molécules peuvent entraîner des pertes d’efficacité massives. Les résultats sont publiés dans un article intitulé «Minimiser les lacunes d’hydrogène pour permettre des pérovskites hybrides hautement efficaces», dans le numéro du 29 avril de la revue Nature Materials.

Les performances photovoltaïques remarquables des pérovskites hybrides ont suscité beaucoup d’enthousiasme, étant donné leur potentiel à faire progresser la technologie des cellules solaires. «Hybride» fait référence à l’inclusion de molécules organiques dans un réseau de pérovskite inorganique, qui a une structure cristalline similaire à celle du minéral pérovskite (oxyde de calcium et de titane). Les matériaux présentent des rendements de conversion de puissance rivalisant avec celui du silicium, mais sont beaucoup moins chers à produire. Cependant, des défauts dans le réseau cristallin de pérovskite sont connus pour créer une dissipation d’énergie indésirable sous forme de chaleur, ce qui limite l’efficacité.

Un certain nombre d’équipes de recherche ont étudié de tels défauts, parmi lesquels le groupe du professeur de matériaux UCSB Chris Van de Walle, qui a récemment réalisé une percée en découvrant un défaut préjudiciable à un endroit que personne n’avait regardé auparavant: sur la molécule organique.

«L’iodure de plomb de méthylammonium est la pérovskite hybride prototypique», a expliqué Xie Zhang, chercheur principal du projet. “Nous avons constaté qu’il est étonnamment facile de rompre l’une des liaisons et d’éliminer un atome d’hydrogène sur la molécule de méthylammonium. La ‘absence d’hydrogène’ qui en résulte agit alors comme un puits pour les charges électriques qui se déplacent à travers le cristal après avoir été générées par la lumière tombant. sur la cellule solaire. Lorsque ces charges sont prises au niveau de la vacance, elles ne peuvent plus effectuer de travaux utiles, comme charger une batterie ou alimenter un moteur, d’où la perte d’efficacité. “

La recherche a été rendue possible grâce à des techniques de calcul avancées développées par le groupe Van de Walle. Ces calculs de pointe fournissent des informations détaillées sur le comportement quantique-mécanique des électrons dans le matériau. Mark Turiansky, un étudiant diplômé du groupe de Van de Walle qui a participé à la recherche, a contribué à l’élaboration d’approches sophistiquées pour transformer ces informations en valeurs quantitatives pour les taux de piégeage des porteuses de charge.

“Notre groupe a créé des méthodes puissantes pour déterminer quels processus entraînent une perte d’efficacité”, a déclaré Turiansky, “et il est gratifiant de voir l’approche fournir des informations aussi précieuses pour une classe importante de matériaux.”

“Les calculs agissent comme un microscope théorique qui nous permet de scruter le matériau avec une résolution beaucoup plus élevée que celle qui peut être obtenue expérimentalement”, a expliqué Van de Walle. «Ils constituent également une base pour la conception rationnelle des matériaux. Par essais et erreurs, il a été constaté que les pérovskites dans lesquelles la molécule de méthylammonium est remplacée par du formamidinium présentent de meilleures performances. Nous pouvons maintenant attribuer cette amélioration au fait que des défauts d’hydrogène se forment moins facilement dans le composé formamidinium.

“Cette idée fournit une justification claire de la sagesse empiriquement établie selon laquelle le formamidinium est essentiel pour la réalisation de cellules solaires à haut rendement”, a-t-il ajouté. “Sur la base de ces connaissances fondamentales, les scientifiques qui fabriquent les matériaux peuvent développer des stratégies pour supprimer les défauts nocifs, augmentant ainsi les améliorations d’efficacité supplémentaires dans les cellules solaires.”

Le financement de cette recherche a été fourni par le Bureau des sciences et le Bureau des sciences fondamentales de l’énergie du Département de l’énergie. Les calculs ont été effectués au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Université de Californie – Santa Barbara. Original écrit par James Badham. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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