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Des cellules solaires ultra-minces ?

31 Dec, 2021

By hoppt

Cellules solaires ultra-minces

Des cellules solaires ultra-minces ?

Cellules solaires ultra-minces améliorées : les composés de pérovskite 2D ont les matériaux appropriés pour défier les produits volumineux.

Les ingénieurs de l'Université Rice ont atteint de nouvelles références dans la conception de cellules solaires minces à l'échelle atomique constituées de pérovskites semi-conductrices, augmentant leur efficacité tout en maintenant leur capacité à résister à l'environnement.

Le laboratoire Aditya Mohite de la George R Brown School of Engineering de l'Université Rice a découvert que la lumière du soleil rétrécit l'espace entre les couches atomiques dans une pérovskite bidimensionnelle, suffisamment pour augmenter l'efficacité photovoltaïque du matériau jusqu'à 18 %, ce qui est un progrès fréquent. . Un bond fantastique a été réalisé dans le domaine et mesuré en pourcentages.

"En 10 ans, l'efficacité de la pérovskite est passée d'environ 3% à plus de 25%", a déclaré Mohite. "D'autres semi-conducteurs prendront environ 60 ans à réaliser. C'est pourquoi nous sommes si excités."

La pérovskite est un composé à réseau cubique et est un collecteur de lumière efficace. Leur potentiel est connu depuis de nombreuses années, mais ils ont un problème : ils peuvent convertir la lumière du soleil en énergie, mais la lumière du soleil et l'humidité peuvent les dégrader.

"La technologie des cellules solaires devrait durer de 20 à 25 ans", a déclaré Mohite, professeur agrégé d'ingénierie chimique et biomoléculaire, de science des matériaux et de nano-ingénierie. "Nous travaillons depuis de nombreuses années et continuons à utiliser de grandes pérovskites très efficaces mais peu stables. En revanche, les pérovskites bidimensionnelles ont une excellente stabilité mais ne sont pas assez efficaces pour être placées sur le toit.

"Le plus gros problème est de les rendre efficaces sans compromettre la stabilité."
Les ingénieurs de Rice et leurs collaborateurs de l'Université Purdue et de l'Université Northwestern, de Los Alamos, d'Argonne et de Brookhaven du Laboratoire national du Département américain de l'énergie et de l'Institut d'électronique et de technologie numérique (INSA) de Rennes, en France, et leurs collaborateurs ont découvert qu'en certaines pérovskites bidimensionnelles, la lumière du soleil réduit efficacement l'espace entre les atomes, augmentant leur capacité à transporter le courant électrique.

"Nous avons constaté que lorsque vous enflammez le matériau, vous le pressez comme une éponge et rassemblez les couches pour améliorer le transfert de charge dans cette direction", a déclaré Mocht. Les chercheurs ont découvert que placer une couche de cations organiques entre l'iodure en haut et le plomb en bas peut améliorer l'interaction entre les couches.

"Ce travail est d'une grande importance pour l'étude des états excités et des quasi-particules, où une couche de charge positive est sur l'autre, et la charge négative est sur l'autre, et ils peuvent se parler", a déclaré Mocht. "Ceux-ci sont appelés excitons, et ils peuvent avoir des propriétés uniques.

"Cet effet nous permet de comprendre et d'ajuster ces interactions lumière-matière de base sans créer d'hétérostructures complexes telles que des dichalcogénures de métaux de transition 2D empilés", a-t-il déclaré.

Des collègues en France ont confirmé l'expérience avec un modèle informatique. Jacky Even, professeur de physique à l'INSA, a déclaré : « Cette recherche offre une opportunité unique de combiner la technologie de simulation ab initio la plus avancée, la recherche sur les matériaux à l'aide d'installations synchrotron nationales à grande échelle et la caractérisation in situ des cellules solaires en fonctionnement. ." "Cet article décrit pour la première fois comment le phénomène de suintement libère soudainement le courant de charge dans le matériau pérovskite."

Les deux résultats montrent qu'après 10 minutes d'exposition au simulateur solaire à une intensité solaire, la pérovskite bidimensionnelle se contracte de 0.4 % sur sa longueur et d'environ 1 % de haut en bas. Ils ont prouvé que l'effet pouvait être observé en 1 minute sous cinq intensités solaires.

"Cela ne semble pas beaucoup, mais un rétrécissement de 1% de l'espacement du réseau entraînera une augmentation substantielle du flux d'électrons", a déclaré Li Wenbin, étudiant diplômé à Rice et co-auteur principal. "Nos recherches montrent que la conduction électronique du matériau a triplé."

Dans le même temps, la nature du réseau cristallin rend le matériau résistant à la dégradation, même lorsqu'il est chauffé à 80 degrés Celsius (176 degrés Fahrenheit). Les chercheurs ont également découvert que le réseau se détendait rapidement pour retrouver sa configuration standard une fois les lumières éteintes.

"L'une des principales attractions des pérovskites 2D est qu'elles ont généralement des atomes organiques qui agissent comme des barrières contre l'humidité, sont thermiquement stables et résolvent les problèmes de migration des ions", a déclaré Siraj Sidhik, étudiant diplômé et co-auteur principal. "Les pérovskites 3D sont sujettes à l'instabilité thermique et lumineuse, alors les chercheurs ont commencé à mettre des couches 2D sur des pérovskites massives pour voir s'ils pouvaient tirer le meilleur parti des deux.

"Nous pensons, passons simplement à la 2D et rendons-la efficace", a-t-il déclaré.

Pour observer le rétrécissement du matériau, l'équipe a utilisé deux installations de l'US Department of Energy (DOE) Office of Science : la National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory du US Department of Energy et l'Advanced State Laboratory of le laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie. Laboratoire Source de photons (APS).

Le physicien d'Argonne Joe Strzalka, co-auteur de l'article, utilise les rayons X ultra-brillants d'APS pour capturer de petits changements structurels dans les matériaux en temps réel. L'instrument sensible du 8-ID-E de la ligne de lumière APS permet des études "opérationnelles", c'est-à-dire des études menées lorsque l'équipement subit des changements contrôlés de température ou d'environnement dans des conditions normales de fonctionnement. Dans ce cas, Strzalka et ses collègues ont exposé le matériau photosensible de la cellule solaire à la lumière du soleil simulée tout en maintenant la température constante et ont observé de minuscules contractions au niveau atomique.

Dans le cadre d'une expérience de contrôle, Strzalka et ses co-auteurs ont maintenu la pièce dans l'obscurité, augmenté la température et observé l'effet inverse : l'expansion du matériau. Cela suggère que la lumière elle-même, et non la chaleur qu'elle génère, a causé la transformation.

"Pour de tels changements, il est important de mener des recherches opérationnelles", a déclaré Strzalka. "Tout comme votre mécanicien veut faire tourner votre moteur pour voir ce qui s'y passe, nous voulons essentiellement prendre une vidéo de cette conversion, pas un seul instantané. Des installations telles que l'APS nous permettent de le faire."

Strzalka a souligné que l'APS subit une mise à niveau importante pour augmenter la luminosité de ses rayons X jusqu'à 500 fois. Il a déclaré que lorsqu'il sera terminé, des faisceaux plus brillants et des détecteurs plus rapides et plus précis augmenteront la capacité des scientifiques à détecter ces changements avec une plus grande sensibilité.

Cela peut aider l'équipe Rice à ajuster le matériau pour de meilleures performances. "Nous concevons des cations et des interfaces pour atteindre des efficacités de plus de 20%", a déclaré Sidhik. "Cela va tout changer dans le domaine de la pérovskite, car les gens commenceront alors à utiliser la pérovskite 2D pour les séries de pérovskite/silicium 2D et de pérovskite 2D/3D, ce qui peut amener l'efficacité à près de 30 %. Cela rendra sa commercialisation attrayante."

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