De petits pas pour les électrons - de grands pas pour les cellules solaires du futur ?
Une nouvelle méthode de mesure permet d'améliorer de manière ciblée les cellules solaires en pérovskite
Des physiciens de l'université de Ratisbonne et de l'université d'Oxford utilisent un microscope ultrarapide pour révéler comment les électrons se déplacent dans un nouveau type de matériau pour cellules solaires. Les résultats permettent de comprendre comment ce matériau peut être utilisé de manière encore plus efficace pour les cellules photovoltaïques.
Image artistique montrant le mouvement vertical des photocarriers (trajectoires en dents de scie) à travers les nanocristallites d'un film de pérovskite à base d'halogénure métallique, d'après les données topographiques mesurées. L'interaction de ce transport de charge avec la configuration cristallographique, la composition chimique et la morphologie peut être résolue grâce à une approche innovante basée sur la microscopie ultrarapide en champ proche.
© Brad Baxley (Part to Whole)
Dans la recherche de méthodes de production d'énergie plus efficaces et plus durables, une classe de matériaux appelés pérovskites à halogénures métalliques s'est révélée très prometteuse. Quelques années après leur découverte, de nouvelles cellules solaires basées sur ces matériaux ont déjà atteint des rendements comparables à ceux des cellules solaires commerciales en silicium. Les cellules solaires à pérovskite offrent cependant des avantages significatifs par rapport au silicium : Leurs coûts de fabrication et d'énergie sont inférieurs, car elles peuvent être produites à l'aide de procédés de revêtement rentables. En outre, leur flexibilité et leur légèreté permettent de les appliquer sur une large gamme de surfaces, de l'électronique portable aux façades de bâtiments innovants.
Mais comment fonctionne une cellule solaire ? La lumière du soleil, qui consiste en des quanta de lumière individuels appelés photons, est absorbée par la cellule solaire. Les photons transfèrent leur énergie aux électrons, les élevant à des états énergétiques plus élevés où ils sont libres de se déplacer. Les électrons libres sont ensuite extraits au niveau des contacts électriques et convertis en énergie électrique utilisable. L'efficacité d'une cellule solaire dépend donc essentiellement de l'efficacité avec laquelle ces porteurs de charge à courte durée de vie peuvent se déplacer dans le matériau pour atteindre les contacts avant de se désintégrer. Pour optimiser davantage les cellules solaires d'un point de vue stratégique, il est essentiel de comprendre exactement comment ce transport s'effectue, y compris les chemins empruntés par les électrons et ce qui entrave leur mouvement.
Rupert Huber à l'aide d'un nouveau type de microscope ultrarapide utilisant des échantillons fabriqués sur mesure par le professeur Michael Johnston (Université d'Oxford). L'équipe a réussi à générer des électrons libres et à suivre leur diffusion sur des échelles de temps ultra-courtes. Cela constitue un défi particulier pour les cellules solaires en pérovskite, qui ne sont pas homogènes mais constituées de nombreux petits grains dont la taille ne dépasse pas quelques centaines de nanomètres (un milliardième de mètre). En outre, ces nanocristaux ne sont pas identiques dans tout l'échantillon ; ils peuvent exister à température ambiante dans l'une des deux structures atomiques différentes, dont une seule convient à l'utilisation dans les cellules solaires. Il est donc essentiel de déterminer avec précision l'emplacement et la structure cristalline étudiés. À cette fin, les chercheurs ont utilisé un microscope capable de zoomer à l'échelle nanométrique, ce qui permet de mesurer ces nanocristaux un par un. Simultanément, des méthodes optiques permettent de s'assurer qu'ils sont positionnés sur une cristallite ayant la structure atomique correcte. "Nous faisons vibrer les atomes des nanocristallites. En fonction de la disposition des atomes, ces vibrations créent des signatures distinctes dans la lumière diffusée, un peu comme une empreinte digitale. Cela nous permet de déterminer avec précision comment les atomes sont disposés dans les cristallites respectives", explique Martin Zizlsperger, premier auteur de la publication.
Une fois que l'équipe a connu la forme exacte et la structure cristalline des nanoparticules, elle a éclairé l'échantillon avec une courte impulsion lumineuse, qui a excité les électrons dans des états mobiles - c'est exactement ce qui se produit lorsque le soleil brille sur une cellule solaire. Les chercheurs ont ensuite pu mesurer le mouvement ultérieur des charges à l'aide d'une seconde impulsion laser. "Pour simplifier, les charges se comportent comme un miroir. Si ces charges se déplacent maintenant vers le bas à partir de notre point de mesure, par exemple, la deuxième impulsion laser est réfléchie plus tard. Nous pouvons alors reconstituer le mouvement exact des charges sur la base de ce minuscule délai de quelques femtosecondes, une femtoseconde étant la millionième partie d'un milliardième de seconde", explique Svenja Nerreter, coauteur de l'étude.
Cela a permis d'observer exactement comment les électrons excités se déplacent dans le labyrinthe des différentes cristallites. En particulier, les chercheurs ont également pu étudier le mouvement techniquement pertinent dans la direction perpendiculaire à la surface de la cellule solaire après l'excitation. Les résultats sont surprenants : bien que le matériau soit constitué de nombreux nanocristaux différents, le transport vertical de charges à l'échelle du nanomètre n'est pas affecté par les irrégularités de forme des nanocristallites. Cela pourrait expliquer le succès des cellules solaires en pérovskite. Cependant, lorsque les chercheurs ont étudié des régions plus grandes, à l'échelle de plusieurs centaines de micromètres, ils ont constaté des différences dans l'efficacité du transport de charges entre des régions de taille micrométrique constituées de centaines de petites nanocristallites, certaines régions étant plus efficaces que d'autres.
Ces points chauds locaux pourraient être d'une grande importance pour le développement de nouvelles cellules solaires. La nouvelle méthode de mesure des chercheurs peut fournir un aperçu direct de la distribution et de l'efficacité des régions individuelles, marquant ainsi une étape importante vers l'amélioration des cellules solaires en pérovskite. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Photonics. "Notre nouvelle méthode nous permet d'observer pour la première fois l'interaction complexe entre le transport des charges, la configuration des cristaux et la forme des cristallites directement à l'échelle nanométrique. Elle peut donc être utilisée pour améliorer de manière ciblée les cellules solaires en pérovskite", explique le professeur Huber. Le nouveau concept de mesure ne se limite toutefois pas aux cellules solaires, car l'interaction entre la structure et le transport des charges est d'une importance capitale pour un grand nombre d'applications modernes. Cette percée pourrait également faire progresser de manière significative le développement de transistors ultra-petits et rapides et contribuer à élucider l'un des plus grands mystères de la physique du solide : la supraconductivité à haute température.
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.
Publication originale
M. Zizlsperger, S. Nerreter, Q. Yuan, K. B. Lohmann, F. Sandner, F. Schiegl, C. Meineke, Y. A. Gerasimenko, L. M. Herz, T. Siday, M. A. Huber, M. B. Johnston, R. Huber; "In situ nanoscopy of single-grain nanomorphology and ultrafast carrier dynamics in metal halide perovskites"; Nature Photonics, 2024-7-17
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