Déchaînant potentiel de pérovskites pour les cellules solaires

Pérovskites - une large catégorie de composés qui partagent une certaine structure cristalline - ont attiré beaucoup d'attention que le potentiel de nouvelles cellules solaires en raison de leur faible coût, la flexibilité, et le processus de fabrication relativement facile. Mais il reste encore beaucoup sur les détails de leur structure et les effets de substitution différents métaux ou d'autres éléments dans le matériau.

les cellules solaires classiques en silicium doivent être traitées à des températures supérieures 1,400 degré Celsius, en utilisant des équipements coûteux qui limite leur potentiel de production mise à l'échelle. En revanche, perovskites peuvent être traitées dans une solution liquide à des températures aussi basses que 100 degrés, utilisant un équipement peu coûteux. Quoi de plus, pérovskites peuvent être déposés sur une variété de substrats, y compris les plastiques souples, permettant une variété de nouvelles utilisations qui serait impossible avec plus épais, rigides tranches de silicium.

Les cellules solaires en perovskite ont une grande promesse, en partie parce qu'ils peuvent facilement être sur des substrats flexibles, comme cette cellule expérimentale. Image: Ken Richardson

À présent, les chercheurs ont été en mesure de déchiffrer un aspect clé du comportement des pérovskites fait avec des formulations différentes: Avec certains additifs, il est une sorte de « sweet spot » où des quantités plus importantes amélioreront la performance et au-delà duquel les montants supplémentaires commencent à se dégrader. Les résultats sont détaillés cette semaine dans la revue Science, dans un document par l'ancien MIT postdoc Juan-Pablo Correa-Baena, professeurs du MIT et Tonio Buonassisi Moungi Bawendi, et 18 d'autres au MIT, l'Université de Californie à San Diego, et d'autres institutions.

Perovskites sont une famille de composés qui partagent une structure cristalline en trois parties,. Chaque partie peut être fabriqué à partir d'un quelconque d'un certain nombre de différents éléments ou de composés - conduisant à une très large gamme de formulations possibles. Buonassisi compare la conception d'une nouvelle perovskite de commander un menu, choisir un (ou plus) à partir de chacun de la colonne A, colonne B, et (par convention) colonne X. "Vous pouvez mélanger et faire correspondre," il dit, mais jusqu'à présent, toutes les variations ne pouvaient être étudiées par essais et erreurs, puisque les chercheurs ne comprenaient pas de base de ce qui se passait dans le matériau.

In previous research by a team from the Swiss École Polytechnique Fédérale de Lausanne, dans lequel Correa a participé Baena, ont trouvé que l'ajout de certains métaux alcalins au mélange de perovskite pourrait améliorer l'efficacité de la matière à transformer l'énergie solaire en électricité, d'environ 19 pour cent à environ 22 pour cent. Mais à l'époque il n'y avait pas d'explication à cette amélioration, et aucune compréhension exactement ce que ces métaux ont été fait à l'intérieur du composé. « On savait très peu sur la façon dont la microstructure affecte les performances,« Dit Buonassisi.

À présent, la cartographie détaillée à l'aide des mesures de fluorescence nano-de rayons X synchrotron à haute résolution, qui peut sonder le matériau avec un faisceau seulement un millième de la largeur d'un cheveu, a révélé les détails du processus, avec des indices potentiels sur la façon d'améliorer les performances du matériau encore plus.

Il apparaît que l'ajout de ces métaux alcalins, tels que le césium ou le rubidium, au composé perovskite aide certains des autres constituants à mélanger ensemble plus en douceur. Comme l'équipe décrit, ces additifs permettent de « homogénéiser » le mélange, ce qui en fait conduire l'électricité plus facilement et d'améliorer ainsi son efficacité en tant que cellule solaire. Mais, ils ont trouvé, qui ne fonctionne que jusqu'à un certain point. Au-delà d'une certaine concentration, ces métaux ajoutés agglutiner, former des régions qui interfèrent avec la conductivité de la matière et neutralisent en partie l'avantage initial. Entre, pour toute formulation donnée de ces composés complexes, est le sweet spot qui offre les meilleures performances, ils ont trouvé.

«C'est une grande découverte,» Dit Correa-Baena, qui est devenu en janvier professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à Georgia Tech. Ce que les chercheurs ont trouvé, après environ trois ans de travail au MIT et avec des collaborateurs à l'UCSD, était « que se passe-t-il lorsque vous ajoutez ces métaux alcalins, et pourquoi les performances s'améliorent. Ils ont pu observer directement les changements dans la composition du matériau, et révéler, entre autres, ces effets compensateurs d'homogénéisation et d'agglutination.

"L'idée est que, sur la base de ces découvertes, nous savons maintenant que nous devrions examiner des systèmes similaires, en termes d'ajout de métaux alcalins ou d'autres métaux,” ou en variant d'autres parties de la recette, dit Correa-Baena. Alors que les pérovskites peuvent présenter des avantages majeurs par rapport aux cellules solaires au silicium conventionnelles, notamment en termes de faible coût de mise en place d'usines pour les produire, ils nécessitent encore des travaux supplémentaires pour augmenter leur efficacité globale et améliorer leur longévité, qui est nettement en retard par rapport aux cellules au silicium.

Bien que les chercheurs aient clarifié les changements structurels qui se produisent dans le matériau pérovskite lors de l'ajout de différents métaux, et les changements de performances qui en résultent, "nous ne comprenons toujours pas la chimie derrière cela,” dit Correa-Baena. C'est l'objet de recherches continues de l'équipe. L'efficacité maximale théorique de ces cellules solaires à pérovskite est d'environ 31 pour cent, selon Correa-Baena, et la meilleure performance à ce jour est d'environ 23 pour cent, il reste donc une marge importante d'amélioration potentielle.

Bien que cela puisse prendre des années pour que les pérovskites réalisent leur plein potentiel, au moins deux entreprises sont déjà en train de mettre en place des lignes de production, et ils prévoient de commencer à vendre leurs premiers modules d'ici un an environ. Certains d'entre eux sont petits, des cellules solaires transparentes et colorées conçues pour être intégrées dans la façade d'un bâtiment. "Ça se passe déjà,” dit Correa-Baena, "mais il reste encore du travail à faire pour les rendre plus durables."

Une fois les problèmes de fabricabilité à grande échelle, Efficacité, et la durabilité sont abordés, dit Buonassisi, les pérovskites pourraient devenir un acteur majeur de l'industrie des énergies renouvelables. "S'ils réussissent à rendre durable, des modules à haut rendement tout en préservant le faible coût de fabrication, cela pourrait changer la donne," il dit. "Cela pourrait permettre une expansion de l'énergie solaire beaucoup plus rapide que ce que nous avons vu."

Les cellules solaires à pérovskite "sont désormais les principaux candidats à la commercialisation. Ainsi, fournir des informations plus approfondies, comme fait dans ce travail, contribue au développement futur,” dit Michaël Saliba, chercheur senior en physique de la matière molle à l'Université de Fribourg, Suisse, qui n'a pas participé à cette recherche.

Croix ajoute, "C'est un excellent travail qui met en lumière certains des matériaux les plus étudiés. L'utilisation de synchrotron, les nouvelles techniques combinées à une nouvelle ingénierie des matériaux sont de la plus haute qualité, et mérite d'apparaître dans un journal aussi prestigieux. Il ajoute que les travaux dans ce domaine « progressent rapidement. Ainsi, ayant une connaissance plus détaillée sera important pour relever les défis futurs de l'ingénierie. »

La source: http://news.mit.edu