Des scientifiques de Stanford font la lumière sur les matériaux énergétiques de nouvelle génération

Les polarons pourraient-ils être la clé de la prochaine génération de cellules solaires incroyablement efficaces ?

Les polarons, des distorsions fugaces dans le réseau atomique d’un matériau qui se forment autour d’électrons en mouvement, pourraient détenir la clé de cellules solaires incroyablement efficaces fabriquées avec des pérovskites hybrides en plomb.

Une équipe de scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie et de l’université de Stanford a utilisé pour la première fois un laser à rayons X pour observer la formation des polarons. Ils ont publié leurs résultats dans la revue scientifique Nature Materials.

Observations par laser atomique

Les pérovskites hybrides en plomb ont un grand potentiel pour stimuler l’industrie des cellules solaires. Et pourtant, les scientifiques ne sont pas d’accord sur leur mode de fonctionnement.

« Ces matériaux ont pris d’assaut le domaine de la recherche sur l’énergie solaire en raison de leur grande efficacité et de leur faible coût, mais les gens continuent de débattre des raisons pour lesquelles ils fonctionnent », a déclaré Aaron Lindenberg, un chercheur de l’Institut des sciences des matériaux et de l’énergie de Stanford (SIMES) à SLAC et professeur associé à Stanford qui a dirigé la recherche, dans un communiqué de presse.

Les polarons, qui se produisent en quelques trillionièmes de secondes, pourraient être la clé : « L’idée que les polarons puissent être impliqués existe depuis un certain nombre d’années », a-t-il déclaré. « Mais nos expériences sont les premières à observer directement la formation de ces distorsions locales, y compris leur taille, leur forme et leur évolution. »

Les scientifiques ont commencé à incorporer des pérovskites dans les cellules solaires il y a une dizaine d’années. Ce sont des matériaux cristallins nommés d’après le minéral pérovskite, qui a une structure atomique similaire.

Les matériaux sont notoirement complexes et difficiles à comprendre, a expliqué M. Lindenberg. Bien qu’ils soient instables et contiennent du plomb toxique, ils ont le potentiel de rendre les cellules solaires moins chères que les cellules en silicium actuelles.

Les propriétés du Polaron

Pour cette étude, l’équipe de Lindenberg a utilisé la source cohérente de lumière de l’accélérateur linéaire (LCLS) de son laboratoire, un puissant laser à électrons libres à rayons X capable de produire des images de matériaux avec des détails proches de l’anatomie et de capter les mouvements se produisant en millionièmes de milliardièmes de seconde.

Grâce à leur étude, ils ont observé que la structure hybride du réseau de pérovskite est flexible et souple, comme « une étrange combinaison d’un solide et d’un liquide en même temps », a déclaré M. Lindenberg. C’est ce qui, explique-t-il, permet aux polarons de se former et de se développer.

Les observations ont également révélé que les distorsions polaroniques commencent à être très faibles – à peu près le depuis entre les atomes d’un solide – et s’étendent rapidement vers l’extérieur dans toutes les directions pour prendre environ 50 fois cet espace.

« Cette distorsion est en fait assez importante, ce que nous ne savions pas auparavant », a déclaré M. Lindenberg. « C’est quelque chose de totalement inattendu. »

Cependant, comme le conclut Lindenberg, « si cette expérience montre aussi directement que possible que ces objets existent réellement, elle ne montre pas comment ils contribuent à l’efficacité d’une cellule solaire. Il reste encore du travail à faire pour comprendre comment ces processus affectent les propriétés de ces matériaux ».

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche