Moins innocent qu'il n'y paraît : l'hydrogène dans les pérovskites hybrides : des chercheurs identifient le défaut qui limite les performances des cellules solaires

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Une lacune d'hydrogène (la tache noire à gauche du centre) créée en éliminant l'hydrogène d'une molécule de méthylammonium, piège les porteurs dans la pérovskite hybride prototypique, l'iodure de plomb méhtylammonium CH3NH3Pbl3 CRÉDIT Xie Zhang

Résumé:
Des chercheurs du département des matériaux du College of Engineering de l'UC Santa Barbara ont découvert une cause majeure des limitations de l'efficacité d'une nouvelle génération de cellules solaires.

Moins innocent qu'il n'y paraît: l'hydrogène dans les pérovskites hybrides: les chercheurs identifient le défaut qui limite les performances des cellules solaires

Santa Barbara, Californie | Publié le 30 avril 2021

Divers défauts possibles dans le réseau de ce que l'on appelle les pérovskites hybrides avaient auparavant été considérés comme la cause potentielle de ces limitations, mais on supposait que les molécules organiques (les composants responsables du surnom "hybride") resteraient intactes. Des calculs de pointe ont maintenant révélé que l'absence d'atomes d'hydrogène dans ces molécules peut entraîner des pertes d'efficacité massives. Les résultats sont publiés dans un article intitulé "Minimiser les vacances d'hydrogène pour permettre des pérovskites hybrides hautement efficaces", dans le numéro du 29 avril de la revue Nature Materials.

Les performances photovoltaïques remarquables des pérovskites hybrides ont suscité beaucoup d'enthousiasme, compte tenu de leur potentiel pour faire progresser la technologie des cellules solaires. « Hybride » fait référence à l'incorporation de molécules organiques dans un réseau de pérovskite inorganique, qui a une structure cristalline similaire à celle du minéral pérovskite (oxyde de calcium et de titane). Les matériaux présentent des efficacités de conversion de puissance rivalisant avec celles du silicium, mais sont beaucoup moins chers à produire. Cependant, les défauts dans le réseau cristallin de la pérovskite sont connus pour créer une dissipation d'énergie indésirable sous forme de chaleur, ce qui limite l'efficacité.

Un certain nombre d'équipes de recherche ont étudié ces défauts, parmi lesquelles le groupe du professeur de matériaux de l'UCSB Chris Van de Walle, qui a récemment réalisé une percée en découvrant un défaut préjudiciable à un endroit que personne n'avait regardé auparavant : sur la molécule organique.

"L'iodure de plomb de méthylammonium est la pérovskite hybride prototypique", a expliqué Xie Zhang, chercheur principal du projet. "Nous avons découvert qu'il est étonnamment facile de rompre l'une des liaisons et d'éliminer un atome d'hydrogène sur la molécule de méthylammonium. La « lacune d'hydrogène » qui en résulte agit alors comme un puits pour les charges électriques qui se déplacent à travers le cristal après avoir été générées par la lumière tombant sur la cellule solaire. Lorsque ces charges se coincent au niveau de la vacance, elles ne peuvent plus effectuer de travail utile, comme charger une batterie ou alimenter un moteur, d'où la perte d'efficacité.

La recherche a été rendue possible par des techniques informatiques avancées développées par le groupe Van de Walle. Ces calculs de pointe fournissent des informations détaillées sur le comportement mécanique quantique des électrons dans le matériau. Mark Turiansky, un étudiant diplômé du groupe de Van de Walle qui a participé à la recherche, a aidé à élaborer des approches sophistiquées pour transformer ces informations en valeurs quantitatives pour les taux de piégeage des porteurs de charge.

"Notre groupe a créé des méthodes puissantes pour déterminer quels processus entraînent une perte d'efficacité", a déclaré Turiansky, "et il est gratifiant de voir que l'approche fournit des informations aussi précieuses pour une classe importante de matériaux."

"Les calculs agissent comme un microscope théorique qui nous permet de scruter le matériau avec une résolution beaucoup plus élevée que celle qui peut être obtenue expérimentalement", a expliqué Van de Walle. « Ils constituent également une base pour une conception rationnelle des matériaux. Par essais et erreurs, il a été constaté que les pérovskites dans lesquelles la molécule de méthylammonium est remplacée par du formamidinium présentent de meilleures performances. Nous sommes maintenant en mesure d'attribuer cette amélioration au fait que les défauts d'hydrogène se forment moins facilement dans le composé de formamidinium.

"Cette idée fournit une justification claire de la sagesse empiriquement établie selon laquelle le formamidinium est essentiel pour réaliser des cellules solaires à haut rendement", a-t-il ajouté. "Sur la base de ces connaissances fondamentales, les scientifiques qui fabriquent les matériaux peuvent développer des stratégies pour supprimer les défauts nocifs, augmentant ainsi l'efficacité des cellules solaires."

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Le financement de cette recherche a été fourni par le Bureau des sciences et le Bureau des sciences énergétiques de base du Département de l'énergie. Les calculs ont été effectués au National Energy Research Scientific Computing Center.

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Contacts :
James Badham

@ucsantabarbara

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