Des scientifiques augmentent de 250 % l’efficacité d’un matériau bon marché et prometteur pour les panneaux solaires

Moins chers à produire et plus aptes à absorber les formes de lumière à haute énergie, les matériaux pérovskites ont le potentiel de remplacer le silicium dans la technologie des panneaux solaires.

Illustration montrant un matériau pérovskite sur des couches de dioxyde de silicium, d’argent et de silicium. (Jin Lee, et al., Nature Photonics, 2023)

Malheureusement, les scientifiques cherchent encore à rendre ces pérovskites plus stables et plus durables.

Dans une nouvelle étude, les scientifiques sont parvenus à améliorer de manière significative l’efficacité d’un type particulier de ce matériau, connu sous le nom de pérovskite à halogénure de plomb. En combinant la pérovskite avec un substrat de métal plutôt que de verre, l’efficacité de la conversion de la lumière a été augmentée de 250 %.

“Personne d’autre n’est arrivé à cette observation dans les pérovskites”, déclare Chunlei Guo, professeur d’optique à l’université de Rochester, dans l’État de New York.

“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. Nous utilisons donc une méthode physique pour créer cette interaction.”

Bien qu’il reste encore beaucoup de travail à faire pour que cette technologie sorte du laboratoire et se retrouve dans un panneau solaire, c’est une autre indication que ces structures cristallines de pérovskite pourraient bientôt être les matériaux de prédilection pour stimuler la production d’énergie solaire.

Les panneaux solaires fonctionnent en utilisant les photons de la lumière solaire pour exciter les électrons afin qu’ils quittent leur place à côté d’un atome pour produire un courant électrique. Cependant, lorsque les électrons et les espaces qu’ils ont laissés derrière eux se recombinent, l’énergie qui pourrait être utilisée comme électricité est perdue sous forme de chaleur.

En ajoutant un substrat métallique, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient réduire cette recombinaison et augmenter l’efficacité. L’équipe a également montré que l’alternance de couches de métal et de matériau diélectrique (isolant) comme substrat pour la pérovskite absorbant la lumière pouvait améliorer les taux d’efficacité de la même manière.

Les paires rouges et bleues représentent les paires électron-trou. Le matériau cristallin pérovskite (cyan) se trouve au-dessus du substrat métallique stratifié (gris). (Chloe Zhang/Université de Rochester)

Le substrat métallique agit comme une image miroir, en inversant la disposition des électrons et de leurs trous générés par les photons. Grâce à “un grand nombre d’éléments physiques surprenants”, l’efficacité est améliorée. C’est un exemple qui montre que les améliorations de la technologie des cellules solaires ne doivent pas nécessairement concerner le matériau absorbant lui-même.

“Un morceau de métal peut faire tout aussi bien qu’une ingénierie chimique complexe dans un laboratoire humide”, explique M. Guo.

Si l’efficacité des pérovskites ne cesse de s’améliorer, c’est la longévité de ces matériaux qui constitue la principale pierre d’achoppement à leur adoption généralisée. La meilleure voie à suivre pourrait être de les utiliser en tandem avec le silicium dans les panneaux solaires.

Les chercheurs à l’origine de l’étude pensent que d’autres améliorations sont à venir dans la façon dont les métaux peuvent être combinés avec les pérovskites à l’aide de cette méthode, ce qui nous permettra de mieux contrôler les panneaux solaires et la façon dont ils convertissent la lumière en électricité.

Une partie de l’attrait des pérovskites réside dans le fait qu’il existe de multiples choix de métaux et d’halogénures susceptibles de contribuer à leur production, et la technique d’augmentation de l’efficacité décrite ici devrait s’appliquer à tous les cas. Cela pourrait être particulièrement important à l’heure où les chercheurs tentent de trouver des solutions de rechange qui éliminent l’utilisation des halogénures de plomb, qui, pour l’instant, ont une longueur d’avance sur d’autres matériaux composites, mais dont l’impact sur l’environnement est connu.

“Au fur et à mesure de l’apparition de nouvelles pérovskites, nous pourrons utiliser notre méthode basée sur la physique pour améliorer encore leurs performances”, explique M. Guo.

Les travaux de recherche ont été publiés dans Nature Photonics.

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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche