Un nouveau sort de technologie solaire semble prometteur ces dernières années. Les cellules solaires aux halogénures pérovskites sont à la fois très performantes et peu coûteuses pour produire de l’énergie électrique – deux ingrédients nécessaires à toute technologie solaire réussie du futur. Mais les nouveaux matériaux de cellules solaires doivent également correspondre à la stabilité des cellules solaires à foundation de silicium, qui offrent in addition de 25 ans de fiabilité.
Dans une recherche récemment publiée, une équipe dirigée par Juan-Pablo Correa-Baena, professeur adjoint à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de Ga Tech, montre que les cellules solaires aux halogénures pérovskites sont moins stables qu’on ne le pensait auparavant. Leurs travaux révèlent l’instabilité thermique qui se produit dans les couches d’interface des cellules, mais offrent également une voie vers la fiabilité et l’efficacité de la technologie solaire à pérovskite aux halogénures. Leurs recherches, publiées en couverture de la revue Highly developed Materials en décembre 2022, ont des implications immédiates pour les universitaires et les professionnels de l’industrie travaillant avec les pérovskites dans le photovoltaïque, un domaine concerné par les courants électriques générés par la lumière du soleil.
Les cellules solaires à pérovskite aux halogénures de plomb promettent une conversion supérieure de la lumière du soleil en énergie électrique. Actuellement, la stratégie la furthermore courante pour obtenir une efficacité de conversion élevée de ces cellules consiste à traiter leurs surfaces avec de gros ions chargés positivement appelés cations.
Ces cations sont trop gros pour tenir dans le réseau à l’échelle atomique de la pérovskite et, en atterrissant sur le cristal de pérovskite, modifient la structure du matériau à l’interface où ils sont déposés. Les défauts à l’échelle atomique qui en résultent limitent l’efficacité de l’extraction du courant de la cellule solaire. Malgré la prise de conscience de ces changements structurels, la recherche sur la stabilité des cations après le dépôt est limitée, ce qui laisse un vide dans la compréhension d’un processus qui pourrait avoir un affect sur la viabilité à long terme des cellules solaires aux halogénures pérovskites.
“Notre préoccupation était que pendant de longues périodes de fonctionnement des cellules solaires, la reconstruction des interfaces se poursuivrait”, a déclaré Correa-Baena. “Nous avons donc cherché à comprendre et à démontrer remark ce processus se déroule au fil du temps.”
Pour mener à bien l’expérience, l’équipe a créé un exemple de dispositif solaire en utilisant des films de pérovskite typiques. L’appareil comporte huit cellules solaires indépendantes, ce qui permet aux chercheurs d’expérimenter et de générer des données basées sur les performances de chaque cellule. Ils ont étudié les performances des cellules, avec et sans le traitement de floor cationique, et étudié les interfaces modifiées par les cations de chaque cellule avant et après un strain thermique prolongé à l’aide de methods de caractérisation par rayons X basées sur le synchrotron.
Tout d’abord, les chercheurs ont exposé les échantillons prétraités à 100 degrés Celsius pendant 40 minutes, puis ont mesuré leurs changements de composition chimique à l’aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X. Ils ont également utilisé un autre style de technologie à rayons X pour étudier précisément le style de constructions cristallines qui se forment à la floor du film. En combinant les informations des deux outils, les chercheurs ont pu visualiser remark les cations se diffusent dans le réseau et comment la structure de l’interface modify lorsqu’elle est exposée à la chaleur.
Ensuite, pour comprendre comment les changements structurels induits par les cations affectent les performances des cellules solaires, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de corrélation d’excitation en collaboration avec Carlos Silva, professeur de physique et de chimie à Georgia Tech. La strategy expose les échantillons de cellules solaires à des impulsions lumineuses très rapides et détecte l’intensité de la lumière émise par le film après chaque impulsion pour comprendre comment l’énergie de la lumière est perdue. Les mesures permettent aux chercheurs de comprendre quels varieties de défauts de surface nuisent aux performances.
Enfin, l’équipe a corrélé les changements de structure et de propriétés optoélectroniques avec les différences d’efficacité des cellules solaires. Ils ont également étudié les changements induits par les hautes températures dans deux des cations les additionally utilisés et observé les différences de dynamique à leurs interfaces.
“Notre travail a révélé qu’il y a une instabilité inquiétante introduite par le traitement avec certains cations”, a déclaré Carlo Perini, chercheur au laboratoire de Correa-Baena et leading auteur de l’article. “Mais la bonne nouvelle est qu’avec une ingénierie appropriée de la couche d’interface, nous verrons une meilleure stabilité de cette technologie à l’avenir.”
Les chercheurs ont appris que les surfaces des movies de pérovskite aux halogénures métalliques traités avec des cations organiques continuent d’évoluer en composition et en composition sous contrainte thermique. Ils ont constaté que les changements d’échelle atomique qui en résultent à l’interface peuvent entraîner une perte significative d’efficacité de conversion de puissance dans les cellules solaires. De furthermore, ils ont découvert que la vitesse de ces changements dépend du kind de cations utilisés, suggérant que des interfaces stables pourraient être à portée de key avec une ingénierie adéquate des molécules.
“Nous espérons que ce travail obligera les chercheurs à tester ces interfaces à des températures élevées et à chercher des answers au problème de l’instabilité”, a déclaré Correa-Baena. “Ce travail devrait orienter les scientifiques dans la bonne direction, vers un domaine où ils peuvent se concentrer afin de construire des technologies solaires moreover efficaces et plus stables.”