Les pérovskites, une alternative "bon marché" au silicium, viennent de gagner en efficacité
Les chercheurs utilisent des substrats métalliques et diélectriques pour augmenter de 250 % l'efficacité de conversion de la lumière des pérovskites.
Le silicium, matériau semi-conducteur standard utilisé dans une multitude d'applications - unités centrales de traitement informatique (CPU), puces à semi-conducteurs, détecteurs et cellules solaires - est un matériau naturel abondant. Cependant, son extraction et sa purification sont coûteuses.
Cette illustration du laboratoire Guo montre l'interaction entre un matériau pérovskite (cyan) et un substrat de matériau métallo-diélectrique. Les paires rouges et bleues sont des paires électron-trou. Les images miroir réfléchies par le substrat réduisent la capacité des électrons excités de la pérovskite à se recombiner avec leurs noyaux atomiques, ce qui augmente l'efficacité de la pérovskite à récolter la lumière solaire.
Illustration by Chloe Zhang
Les pérovskites - une famille de matériaux surnommés pour leur structure cristalline - se sont révélées extrêmement prometteuses ces dernières années en tant que substitut beaucoup moins coûteux et tout aussi efficace du silicium dans les cellules solaires et les détecteurs. Aujourd'hui, une étude dirigée par Chunlei Guo, professeur d'optique à l'université de Rochester, suggère que les pérovskites pourraient devenir beaucoup plus efficaces.
Les chercheurs synthétisent généralement les pérovskites dans un laboratoire humide, puis appliquent le matériau sous forme de film sur un substrat de verre et explorent diverses applications.
Guo propose au contraire une nouvelle approche, fondée sur la physique. En utilisant un substrat composé d'une couche de métal ou de couches alternées de métal et de matériau diélectrique - plutôt que du verre - lui et ses coauteurs ont découvert qu'ils pouvaient augmenter l'efficacité de conversion de la lumière de la pérovskite de 250 %.
Leurs résultats sont publiés dans Nature Photonics.
"Personne d'autre n'est arrivé à cette observation dans les pérovskites", déclare Guo. "Tout d'un coup, nous pouvons placer une plate-forme métallique sous une pérovskite, ce qui change complètement l'interaction des électrons au sein de la pérovskite. Ainsi, nous utilisons une méthode physique pour concevoir cette interaction."
Une nouvelle combinaison pérovskite-métal crée "beaucoup de physique surprenante".
Les métaux sont probablement les matériaux les plus simples de la nature, mais on peut leur faire acquérir des fonctions complexes. Le laboratoire Guo possède une vaste expérience dans ce sens. Le laboratoire a mis au point une série de technologies permettant de transformer des métaux simples en métaux noirs, superhydrophiles (qui attirent l'eau) ou superhydrophobes (qui repoussent l'eau). Les métaux améliorés ont été utilisés pour l'absorption de l'énergie solaire et la purification de l'eau dans leurs études récentes.
Dans ce nouvel article, au lieu de présenter un moyen d'améliorer le métal lui-même, le laboratoire Guo démontre comment utiliser le métal pour améliorer l'efficacité des pervoskites.
"Un morceau de métal peut faire tout autant de travail qu'une ingénierie chimique complexe dans un laboratoire humide", déclare Guo, ajoutant que cette nouvelle recherche pourrait être particulièrement utile pour la future récolte d'énergie solaire."
Dans une cellule solaire, les photons de la lumière du soleil doivent interagir avec les électrons et les exciter, ce qui amène les électrons à quitter leur noyau atomique et à générer un courant électrique, explique Guo. Idéalement, la cellule solaire devrait utiliser des matériaux qui sont faibles pour ramener les électrons excités vers les noyaux atomiques et arrêter le courant électrique.
Le laboratoire de Guo a démontré que cette recombinaison pouvait être considérablement empêchée en combinant un matériau pérovskite avec une couche de métal ou un substrat métamatériau constitué de couches alternées d'argent, un métal noble, et d'oxyde d'aluminium, un diélectrique.
Le résultat a été une réduction significative de la recombinaison des électrons grâce à "un grand nombre d'éléments physiques surprenants", explique Guo. En effet, la couche métallique sert de miroir, ce qui crée des images inversées des paires électron-trou, affaiblissant la capacité des électrons à se recombiner avec les trous.
Le laboratoire a pu utiliser un détecteur simple pour observer l'augmentation de 250 % de l'efficacité de la conversion de la lumière qui en résulte.
Plusieurs défis doivent être résolus avant que les pérovskites ne deviennent pratiques pour les applications, notamment leur tendance à se dégrader relativement rapidement. Actuellement, les chercheurs s'efforcent de trouver de nouveaux matériaux pérovskites plus stables.
"Au fur et à mesure que de nouvelles pérovskites apparaissent, nous pouvons alors utiliser notre méthode basée sur la physique pour améliorer encore leurs performances", explique M. Guo.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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