Des défauts peu profonds entraînent une recombinaison lente et un rendement élevé dans les cellules solaires à pérovskite – Physics World

Des défauts peu profonds entraînent une recombinaison lente et un rendement élevé dans les cellules solaires à pérovskite – Physics World

Horodatage: 7 février 2024 9:31

Photo de Genghua Yan portant des lunettes de protection laser alors qu'elle manipule du matériel dans le laboratoire
Station de mesure de photoluminescence : Genghua Yan, membre de l'équipe, était responsable de nombreuses mesures de l'étude. (Autorisation : Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Le rendement remarquablement élevé des cellules solaires fabriquées à partir de matériaux appelés pérovskites laisse les scientifiques perplexes depuis près de 20 ans. Maintenant, les chercheurs de Centre forschungszentrum de Juliers (FZJ) en Allemagne disent avoir trouvé une explication. En étudiant la photoluminescence des matériaux sur une large plage dynamique, ils ont montré que les porteurs de charge libres (électrons et trous) dans les cellules solaires à pérovskite se recombinent très lentement, augmentant ainsi la durée de vie des porteurs et augmentant l'efficacité des cellules. Leurs travaux ont également révélé que les défauts superficiels du matériau jouent un rôle important dans la recombinaison lorsqu’elle se produit – une connaissance qui pourrait aider les scientifiques à accroître encore leur efficacité.

Les cellules solaires génèrent de l'électricité lorsque les photons de la lumière solaire excitent les électrons d'une bande de valence de plus faible énergie dans le matériau cellulaire vers une bande de conduction de plus haute énergie. Une fois que cela se produit, les électrons et les trous chargés positivement qu’ils laissent derrière eux peuvent se déplacer librement, créant ainsi un courant électrique. Le problème est que les électrons et les trous photoinduits finissent par se recombiner et que, lorsque cela se produit, ils ne contribuent plus au flux de courant. Ce processus de recombinaison est le principal facteur d’inefficacité des cellules solaires.

Les défauts qui apparaissent naturellement dans les matériaux des cellules solaires au cours de la fabrication constituent un déclencheur majeur de la recombinaison. Les chercheurs pensaient auparavant que les principaux responsables étaient des défauts situés énergétiquement à mi-chemin entre les bandes de valence et de conduction. "C'est parce que ces 'défauts profonds' sont également accessibles aux électrons excités et à leurs homologues, les trous", explique Thomas Kirchartz, physicien à la FZJ qui a dirigé l'étude.

Les cellules solaires pérovskites sont différentes

Kirchartz et ses collègues ont cependant montré que ce n'était pas le cas des cellules solaires fabriquées à partir de pérovskites. Ces matériaux ont un ABX3 structure chimique (où A est le césium et le méthylammonium (MA) ou le formamidinium (FA), B est le plomb ou l'étain et X est le chlore, le brome ou l'iode), et l'équipe FZJ a montré que pour eux, les défauts peu profonds – c'est-à-dire les défauts localisés pas au milieu de la bande interdite, mais à proximité des bandes de valence ou de conduction – jouent un rôle plus important dans la recombinaison.

L’équipe a obtenu ce résultat grâce à une nouvelle technique de photoluminescence capable de mesurer une plus large gamme d’intensités lumineuses avec une meilleure résolution. Cette approche, rendue possible par la superposition de signaux amplifiés à des degrés différents, permet de distinguer les processus de perte provoqués par des défauts peu profonds de ceux provoqués par des défauts profonds – ce qui n'était pas possible dans les mesures précédentes.

« Dans le passé, on supposait que les défauts profonds (même si leur densité est faible) dominaient la recombinaison car le modèle de l'oscillateur harmonique prédit ceci», explique Kirchartz. "Cependant, on sait que les pérovskites désobéissent à ce modèle, ce qui signifie que les électrons peuvent se coupler à certains états énergétiquement éloignés."

En effectuant leurs mesures sur des échelles de temps allant de nanosecondes à 170 µs et sur des intensités lumineuses allant de neuf à dix ordres de grandeur, les chercheurs ont découvert que le temps de décroissance différentielle des porteurs de charge dans leurs échantillons (Cs0.05FA0.73MA0.22PbI2.56Br0.44 films de pérovskite à triple cation) obéit à une loi de puissance. Selon eux, cela constitue une preuve solide que leur échantillon présente très peu de défauts profonds et que les défauts superficiels dominent la recombinaison. "La présence de défauts peu profonds n'avait été prédite que théoriquement auparavant, mais on n'avait pratiquement jamais supposé qu'elle serait aussi importante dans ce contexte", explique Kirchartz.

Les chercheurs espèrent que leurs travaux changeront la manière dont la recombinaison dans les films et dispositifs pérovskites est analysée. "Nous considérons notre étude comme une contribution à l'idée d'expliquer comment effectuer certaines mesures pour obtenir des données quantitatives permettant de distinguer différents modèles", explique Kirchartz. « Nous voulons nous éloigner des recherches comparatives qui disent : « Mon nouvel échantillon est meilleur que les échantillons précédents, voir les expériences A, B et C. » Au lieu de cela, nous souhaitons que l’analyse des données soit plus quantitative.

Pour l'avenir, l'équipe FZJ souhaite désormais combiner son approche avec une autre récemment décrit par des collègues de l'Université de Cambridge, Royaume-Uni, qui pourrait fournir des informations sur le transport et la recombinaison des porteurs de charge à partir d'une seule mesure. "Nous souhaitons également explorer comment obtenir un chiffre de mérite unique et scalaire pour la recombinaison à partir de désintégrations approximatives de la loi de puissance (par exemple, un nombre avec une unité qui correspond bien à une échelle de "bon à mauvais")", explique Kirchartz. Monde de la physique. "Cela pourrait être moins simple que pour les désintégrations exponentielles, mais cela devrait quand même être possible."

L'étude est publiée en Nature Materials.

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