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Au cours des dix dernières années, une famille de matériaux appelée perovskites aux halogénures métalliques, sont capables de convertir efficacement la lumière du soleil en électricité, et cela a ébranlé la recherche sur les cellules solaires. Contrairement aux cellules solaires aux siliciums traditionnels, les pérovskites n’ont pas besoin d’être fabriqués à haute température et dans un environnement d’une grande pureté, ce qui les rend relativement moins chers et plus faciles à utiliser. Plus important encore, l’efficacité des cellules solaires à pérovskite – une mesure de la quantité d’énergie solaire qu’elles convertissent en électricité – a été multipliée par six depuis 2009, à plus de 20%. Ce saut d’efficacité est inégalé par tout autre matériau de cellule solaire existante.

Pourquoi les cellules solaires à perovskite sont-ils aussi efficaces ?

Les technologies solaires à base de silicium qui existent depuis les années 1970 ont des efficacités similaires – environ 20-25%. «Malgré leur technologie relativement récente, les cellules solaires à pérovskite sont maintenant presque aussi efficaces que les cellules solaires qui existent depuis des décennies, mais nous ne savons toujours pas pourquoi les cellules solaires à perovskite fonctionnent aussi bien», explique Marco Bernardi, professeur adjoint de la physique appliquée et la science des matériaux dans la Division de l’ingénierie et des sciences appliquées de Caltech. Détenir la réponse à cette question pourrait aider à débloquer le véritable potentiel des cellules solaires à perovskite et aussi permettre aux chercheurs de savoir ce qu’il faut rechercher lors de l’évaluation des matériaux pour les applications de l’énergie solaire.

L’effet Rashba

Une croyance communément admise mais non prouvée dans les communautés de la physique et de l’ingénierie était que le succès des perovskites aux halogénures métalliques était dû à un phénomène appelé «effet Rashba», qui influence le mouvement des électrons à travers un matériau. Lorsque la lumière du soleil frappe un matériau photovoltaïque dans une cellule solaire, elle excite les électrons qui circulent dans le matériau, produisant finalement de l’électricité. Un effet Rashba prononcé peut prolonger la durée de vie des électrons, c’est-à-dire leur permettre de circuler plus loin dans le matériau, ce qui facilite la production d’électricité et améliore l’efficacité globale du matériau.

Pour déterminer si l’effet Rashba jouait effectivement un rôle dans les pérovskites, Bernardi s’est associé au professeur de physique chez Caltech, David Hsieh, qui étudie comment les électrons circulent à travers les matériaux solides et a récemment développé une technique pour déterminer directement l’effet Rashba dans divers matériaux. La technique consiste à faire briller une impulsion ultracourte de lumière laser d’une fréquence spécifique sur le matériau, puis étudier le composant de la lumière générée à deux fois la fréquence entrante, un phénomène connu sous le nom de « génération de second harmonique optique » (SHG). Le SHG optique est fortement liée à l’effet Rashba parce qu’ils sont tous deux conçus à partir de certains types de structures cristallines à faible symétrie.

«C’était difficile dans ce cas car nous recherchions des signaux SHG extrêmement faibles à partir des échantillons de pérovskite et il fallait veiller à ce que les échantillons ne soient pas rapidement endommagés par les impulsions laser de grandes intensitées», explique Tejas Deshpande, un auteur principal de cette recherche, et un étudiant diplômé en physique appliquée dans le laboratoire de Hsieh.

Les preuves de l’effet Rashba semblaient rares

Les calculs de Bernardi et les expériences de Hsieh se sont concentrés sur la structure cristalline et les états électroniques des perovskites aux halogénures de plomb. À l’échelle atomique, les cristaux de perovskite à halogénures métalliques à haute température ont la forme d’un cube, chacun contenant six atomes d’iode entourant un atome de métal au centre des perovskites aux halogénures de plomb. Il est piégé au centre, à température ambiante, les cubes qui s’allongent en un motif parallélépipédique ou tétragonal. Les précédents calculs supposaient que les arrangements atomiques cubiques et tétragonaux se déformaient dans leur état d’énergie le plus bas, ce qui conduisait à un fort effet Rashba. Alors que cela expliquerait pourquoi les cellules de pérovskite sont si efficaces, les preuves de l’effet Rashba semblaient rares lorsque l’équipe a commencé à enquêter sur ce problème.

Le rendement élevé relève de la physique standard

Les chercheurs ont trouvé que la distorsion hypothétique ne se produit pas en théorie ou en pratique, et que la structure correcte est en fait très symétrique, coupant tout effet Rashba potentiel. Ce résultat démontre que la raison du rendement élevé des cellules solaires aux halogénures de plomb semble relever de la physique standard des semi-conducteurs, et les chercheurs peuvent maintenant exclure l’effet Rashba comme une explication plus exotique de l’origine de ce rendement élevé.

Les résultats ont été publiés le 8 mai dans Nature Communications. L’auteur principal, Kyle Frohna, était un étudiant de premier cycle à Trinity College à Dublin au moment où la recherche était menée et a travaillé sur le projet lors d’un Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) chez Caltech. Il a avoué que l’expérience était formative dans son projet pour devenir un scientifique. «J’ai énormément appris de la recherche et de toutes les ébauches, des discussions et de la vérification méticuleuse de nos découvertes», explique Frohna. « L’expérience a fait de moi un scientifique beaucoup plus compétent. »

Alors qu’il se lance dans ses études de doctorat, Frohna a l’intention d’étudier pourquoi les perovskites fabriquent des cellules solaires aussi efficaces, et ce qui pourrait inhiber des améliorations dans le futur dans cette technologie. «J’espère utiliser des connaissances physiques fondamentales pour permettre la conception rationnelle de cellules solaires à perovskite à haut rendement et à faible coût.», explique-t-il.

Cette étude est intitulée « Symétrie d’inversion et effet de Rashba en vrac dans les monocristaux de perovskites d’iodure de plomb de méthylammonium. »

Source : Caltech