De petits pas pour les électrons, de grands pas pour l’avenir ? Un microscope ultrarapide révèle les voies électroniques dans les cellules solaires

Sondage de la nanomorphologie chimique et cristallographique des perovskites aux halogénures métalliques par spectroscopie en champ proche térahertz. Crédit : Nature Photonics (2024). DOI : 10.1038/s41566-024-01476-1

Dans la recherche de méthodes de production d’énergie plus efficaces et plus durables, une classe de matériaux appelés perovskites aux halogénures métalliques s’est révélée très prometteuse. Au cours des quelques années qui ont suivi leur découverte, de nouvelles cellules solaires basées sur ces matériaux ont déjà atteint des rendements comparables à ceux des cellules solaires commerciales au silicium.

Les cellules solaires à base de pérovskite présentent toutefois des avantages considérables par rapport au silicium : leur coût de fabrication et d’énergie est plus faible, car elles peuvent être produites à l’aide de procédés de revêtement rentables. De plus, leur flexibilité et leur légèreté permettent une application sur une large gamme de surfaces, de l’électronique portable aux façades de bâtiments innovantes.

Mais comment fonctionne une cellule solaire ? La lumière solaire, composée de quanta de lumière individuels appelés photons, est absorbée par la cellule solaire. Les photons transfèrent leur énergie aux électrons, les élevant vers des états d’énergie 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 de manière cruciale de la capacité de ces porteurs de charge à courte durée de vie à traverser le matériau pour atteindre les contacts avant de se désintégrer. Pour optimiser davantage les cellules solaires de manière stratégique, il est essentiel de comprendre exactement comment ce transport se déroule, y compris les chemins empruntés par les électrons et ce qui entrave leur mouvement.

Cette tâche difficile a été accomplie par des chercheurs de l’Université de Ratisbonne, dirigés par le professeur Rupert Huber, avec un nouveau type de microscope ultrarapide utilisant des échantillons sur mesure du 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 ultracourtes. Leurs résultats sont les suivants : publié dans la revue Nature Photonics.

Dans les cellules solaires à pérovskite, cela constitue un défi particulier, car elles ne sont pas homogènes mais constituées de nombreux petits grains de quelques centaines de nanomètres (un milliardième de mètre). De plus, 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 est adaptée à l’utilisation dans les cellules solaires. Il est donc essentiel de déterminer l’emplacement exact et la structure cristalline étudiée.

Pour cela, les chercheurs ont utilisé un microscope capable de zoomer jusqu’à l’échelle nanométrique, ce qui permet de mesurer ces nanocristaux un par un. Parallèlement, des méthodes optiques permettent de vérifier qu’ils sont positionnés sur une cristallite présentant la bonne structure atomique.

« Nous faisons vibrer les atomes des nanocristallites. En fonction de la disposition des atomes, ces vibrations créent des signatures distinctes dans la lumière diffusée, comparables à des empreintes digitales. Cela nous permet de déterminer avec précision la disposition des atomes dans les cristallites respectives », explique Martin Zizlsperger, premier auteur de la publication.

Une fois que l’équipe a déterminé la forme exacte et la structure cristalline des nano-îlots, elle a éclairé l’échantillon avec une courte impulsion lumineuse, ce qui a excité les électrons dans des états mobiles – c’est exactement ce qui se passe lorsque le soleil brille sur une cellule solaire. Les chercheurs ont ensuite pu mesurer le mouvement ultérieur des charges avec une deuxième impulsion laser.

« Pour faire simple, 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 décalage temporel de quelques femtosecondes seulement, où une femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde », explique Svenja Nerreter, co-auteure de l’étude.

Cela a permis d’observer exactement comment les électrons excités se déplacent dans le labyrinthe de différentes cristallites. Les chercheurs ont notamment 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 charge à l’échelle nanométrique n’est pas affecté par les irrégularités de forme des nanocristallites. Cela pourrait expliquer le succès des cellules solaires à base de 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 charge entre des régions de la taille d’un micromètre 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 répartition et de l’efficacité des différentes régions, marquant ainsi une étape importante vers l’amélioration des cellules solaires à pérovskite.

« Notre nouvelle méthode nous permet d’observer pour la première fois l’interaction complexe entre le transport de charge, la configuration cristalline et la forme des cristallites directement à l’échelle nanométrique. Elle peut donc être utilisée pour améliorer encore de manière ciblée les cellules solaires à pérovskite », explique le professeur Huber.

Cependant, le nouveau concept de mesure ne se limite pas aux cellules solaires, car l’interaction entre la structure et le transport de charge est d’une importance capitale pour une grande variété d’applications modernes.

Cette avancée pourrait également faire progresser de manière significative le développement de transistors ultra-petits et à grande vitesse et aider à résoudre l’un des plus grands mystères de la physique du solide : la supraconductivité à haute température.

Plus d’information:
M. Zizlsperger et al, Nanoscopie in situ de la nanomorphologie monograine et de la dynamique des porteurs ultrarapides dans les pérovskites aux halogénures métalliques, Nature Photonics (2024). DOI : 10.1038/s41566-024-01476-1

Fourni par l’Université de Ratisbonne

Citation: De petits pas pour les électrons, de grands pas pour l’avenir ? Un microscope ultrarapide révèle les voies électroniques dans les cellules solaires (2024, 17 juillet) récupéré le 17 juillet 2024 sur

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2024-07-17 18:06:04
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