Les cellules solaires ultra-minces utilisant des pérovskites 2D obtiennent un coup de pouce

Le laboratoire du riz a découvert que le complexe de pérovskite 2D contient les bons ingrédients pour défier des produits plus volumineux.

Les ingénieurs de l’Université Rice ont établi une nouvelle norme dans la conception de cellules solaires atomiques minces fabriquées à partir de semi-conducteurs pérovskites, augmentant leur efficacité tout en étant respectueuses de l’environnement.

اكتشف مختبر Aditya Mohite التابع لكلية جورج براون للهندسة في رايس أن ضوء الشمس نفسه ينقبض المسافة بين الطبقات الذرية في البيروفسكايت ثنائي الأبعاد بما يكفي لتحسين كفاءة المواد الكهروضوئية بنسبة تصل إلى 18٪ ، وهي قفزة مذهلة في مجال غالبًا ما يكون فيه التقدم تقاس في كسور من Pourcentage.

« En 10 ans, l’efficacité de la pérovskite est passée d’environ 3% à plus de 25% », a déclaré Moheti. Il a fallu environ 60 ans à d’autres semi-conducteurs pour en arriver là. C’est pourquoi nous sommes si excités. « 

La recherche apparaît dans Nanotechnologie naturelle.

Les pérovskites sont des composés avec des réseaux cristallins cubiques et sont des collecteurs optiques très efficaces. Leur potentiel est connu depuis des années, mais ils présentent un dilemme : ils sont bons pour convertir la lumière du soleil en énergie, mais la lumière du soleil et l’humidité les dégradent.

« La technologie des cellules solaires devrait être opérationnelle pendant 20 à 25 ans », a déclaré Mohit, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire, de science des matériaux et de nano-ingénierie. « Nous travaillons depuis de nombreuses années et continuons à travailler avec de grandes quantités de pérovskites qui sont très efficaces mais pas stables. En revanche, les pérovskites 2D ont une stabilité énorme mais ne sont pas assez efficaces pour être placées sur une surface.

« Le gros problème était de le rendre efficace sans compromettre la stabilité », a-t-il déclaré.

Les ingénieurs et collaborateurs de Rice aux universités Purdue et Northwestern, aux laboratoires nationaux du département américain de l’Énergie Los Alamos, Argonne et Brookhaven, et à l’Institut des technologies électroniques et numériques (INSA) de Rennes, en France, ont découvert que dans certaines pérovskites bidimensionnelles, la lumière du soleil est effectivement réduit. La distance entre les atomes, améliorant leur capacité à transporter le courant.

Siraj Sedik, un étudiant diplômé de l’Université Rice, se prépare à filer un substrat avec un composé qui gèle dans de la pérovskite bidimensionnelle. Les ingénieurs de Rice ont découvert que les écrans à pérovskite sont prometteurs pour des cellules solaires efficaces et robustes. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice

« Nous avons constaté que lorsque vous éclairez le matériau, vous le comprimez un peu comme une éponge et réunissez les couches pour améliorer le transfert de charge dans cette direction », a déclaré Mohit. Les chercheurs ont découvert la superposition de cations organiques entre l’iodure en haut et l’amélioration des interactions entre les couches du bas.

« Ce travail a des implications importantes pour l’étude des états excités et des quasiparticules dans lesquelles une charge positive sur une couche et une charge négative sur l’autre peuvent se parler », a déclaré Mohit. « Ceux-ci sont appelés excitons, qui peuvent avoir des propriétés uniques.

« Cet effet nous a donné l’opportunité de comprendre et d’adapter ces interactions lumière-matière de base sans créer de structures hétérogènes complexes telles que les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels », a-t-il déclaré.

Les expériences ont été confirmées par des modèles informatiques par des collègues en France. « Cette étude a fourni une opportunité unique de combiner des techniques de simulation de pointe, des investigations physiques utilisant des installations de rayonnement synchrotron national à grande échelle et des caractérisations in situ de cellules solaires en fonctionnement », a déclaré Jackie Even, professeur de physique à l’INSA. « L’article décrit pour la première fois comment le phénomène de filtration déclenche soudainement le flux de courant de charge dans un matériau pérovskite. »

Wenbin Li, un étudiant diplômé de l’Université Rice, prépare une cellule solaire à pérovskite 2D à tester dans un simulateur solaire. Les ingénieurs de Rice ont augmenté l’efficacité des cellules de pérovskite 2D tout en maintenant leur ténacité. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice

Les deux résultats ont montré qu’après 10 minutes sous un simulateur solaire avec une densité d’un soleil, la pérovskite bidimensionnelle rétrécissait de 0,4% en longueur et d’environ 1% de haut en bas. Ils ont montré que l’effet peut être observé en une minute en dessous de l’intensité du cinquième soleil.

« Cela ne ressemble pas à grand-chose, mais cette contraction de 1% de l’espacement du réseau conduit à une amélioration significative du flux d’électrons », a déclaré Wenbin Lee, étudiant diplômé à Rice et co-auteur principal. « Nos recherches montrent une multiplication par trois de la conductivité électronique du matériau. »

Dans le même temps, la nature du maillage a rendu le matériau moins sensible aux dommages, même lorsqu’il est chauffé à 80 degrés ° C (176 degrés F). Les chercheurs ont également découvert que le réseau s’est rapidement détendu pour reprendre sa forme normale une fois la lumière éteinte.

« L’un des principaux attraits de la pérovskite 2D est qu’elle contient 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 Siddik, étudiant diplômé et co-auteur principal. « Les pérovskites 3D sont soumises à une instabilité thermique et lumineuse, les chercheurs ont donc commencé à superposer des couches 2D sur la pérovskite pour voir s’ils pouvaient tirer le meilleur parti des deux.

« Nous avons pensé : « Allons-y avec la 2D uniquement et la rendons fonctionnelle », a-t-il déclaré.

L’étudiant diplômé de l’Université Rice Wenbin Lee, l’ingénieur chimiste et biomoléculaire Aditya Mohit et l’étudiant diplômé Siraj Sidhik ont ​​dirigé le projet de production de pérovskite renforcée bidimensionnelle pour des cellules solaires efficaces. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice

Pour surveiller la contraction du matériau en action, l’équipe a utilisé deux installations d’utilisateurs du bureau des sciences du ministère de l’Énergie (DOE) des États-Unis : la source nationale de lumière synchrotron II du laboratoire national de Brookhaven du ministère de l’Énergie et la source avancée de photons. (APS) au ministère de l’Énergie de l’Argonne National. Laboratoire.

Le physicien d’Argonne Joe Strzalka, co-auteur de l’article, a utilisé les rayons X ultra-lumineux de l’APS pour capturer de petits changements structurels dans le matériau en temps réel. Les instruments sensibles de Beamline 8-ID-E permettent à l’APS d’effectuer des études « operando », c’est-à-dire celles qui sont menées alors que l’instrument subit des changements contrôlés de température ou d’environnement dans des conditions de fonctionnement normales. Dans ce cas, Strzalka et ses collègues ont exposé le matériau photoactif de la cellule solaire pour simuler la lumière du soleil tout en maintenant la température constante, et ils ont observé de petites contractions au niveau atomique.

À titre d’expérience de contrôle, Strzalka et ses collègues ont également maintenu la pièce dans l’obscurité et augmenté la température, remarquant l’effet inverse : l’expansion du matériau. Cela montrait que c’était la lumière elle-même, et non la chaleur qu’elle générait, qui provoquait la transformation.

« Pour de tels changements, il est important de faire des études d’opéra », a déclaré Strzalka. « De la même manière que votre mécanicien veut démarrer votre moteur pour voir ce qui se passe à l’intérieur, nous voulons essentiellement prendre une vidéo de ce changement plutôt qu’une seule photo. Des utilitaires comme APS nous permettent de le faire. « 

Strzalka a noté que l’APS est au milieu d’une mise à niveau majeure qui augmentera la luminosité des rayons X jusqu’à 500 fois. Une fois terminé, a-t-il déclaré, des faisceaux plus brillants et des détecteurs plus rapides et plus clairs amélioreront la capacité des scientifiques à détecter ces changements avec plus de sensibilité.

Cela peut aider l’équipe Rice à modifier les matériaux pour de meilleures performances. « Nous sommes sur la bonne voie pour obtenir plus de 20 % d’efficacité grâce à l’ingénierie des cations et des interfaces », a déclaré votre ami. « Cela changera tout dans le domaine de la pérovskite, car les gens commenceront alors à utiliser la pérovskite 2D pour les synonymes 2D pérovskite/silicium et 2D/3D pérovskite, ce qui peut permettre une efficacité proche de 30%. Cela le rendra attrayant pour le marketing. « 

Référence : « Retrait de couche intermédiaire activé par la lumière dans la pérovskite bidimensionnelle pour les cellules solaires à haute efficacité » par Wenbin Li, Siraj Seddhik, Boubacar Traore, Reza Asadpour, Jin Ho, Hao Zhang, Austin Ver, Joseph Eismann, Yaffee Wang et Justin M . Hoffman, Ioannis Spanopoulos, Jared J. Crochet, Esther Tsai, Joseph Strzalka, Claudine Cattan, Muhammed A. Alam, Mercury J. Kanatzidis, Jackie Even, Jean-Christophe Blancon et Aditya D. Mohti, 22 novembre 2021, disponible ici. La nanotechnologie de la nature.
DOI : 10.1038 / s41565-021-01010-2

Les co-auteurs de l’article sont Jin Ho, Hao Zhang et Austin Fehr, étudiants diplômés de Rice, Joseph Eastman et étudiant d’échange Yaffe Wang, et le co-auteur Jean-Christophe Blancun, scientifique senior au laboratoire de Mohit ; Boubacar Traoré, Claudine Cattan de l’INSA ; Reza Asadpour et Muhammad Alam de Bordeaux ; Justin Hoffman, Ioannis Spanopoulos et Mercury Kanatzidis du Nord-Ouest ; Jared est crocheté par Los Alamos et Esther Tsai par Brookhaven.

L’Office de recherche de l’armée de terre, l’Institut universitaire français, la Fondation nationale de la science (20-587, 1724728), l’Office de recherche navale (N00014-20-1-2725) et l’Office des sciences du ministère de l’Énergie (AC02-06CH11357) ont soutenu la recherche.