Le changement climatique et ses conséquences sont de plus en plus évidents et les cellules solaires qui convertissent l'énergie du soleil en électricité joueront un rôle clé dans l'approvisionnement énergétique futur du monde. La culture des matériaux semi-conducteurs courants pour les cellules solaires, tels que le silicium, doivent suivre un processus coûteux. Ce qui permettra d'éviter les défauts dans leur structure cristalline qui affectent leur fonctionnalité. Mais les semi-conducteurs pérovskites à base d'halogénure métallique apparaissent comme une classe de matériaux alternative moins chère. Une classe offrant une fonctionnalité excellente et accordable, ainsi qu'une facilité de traitement.
Dans APL Materials, des chercheurs présentent une feuille de route pour les semi-conducteurs et les dispositifs à base de pérovskite hybride organique-inorganique.
Il est possible de traiter les semi-conducteurs pérovskites à partir d'une solution. On peut notamment les appliquer une encre semi-conductrice. Une encre que l'on peut incorporer dans des dispositifs à semi-conducteurs, tels que des cellules solaires ou des diodes électroluminescentes.
Une tolérance élevée aux défauts
« On a considéré pendant de nombreuses années les semi-conducteurs traités en solution comme incapables de fournir la même fonctionnalité que les semi-conducteurs cristallins spécialement cultivés », a déclaré Lukas Schmidt-Mende, un co-auteur de l'Université de Constance en Allemagne. La raison de ce raisonnement était que le traitement simple en solution conduira par nature à un nombre relativement élevé de défauts au sein de la structure cristalline formée. Ce qui peut affecter négativement sa fonctionnalité.
Il s'avère que les pérovskites hybrides organiques-inorganiques ont une tolérance élevée aux défauts formés après le traitement. De défauts qui n'influencent pas de façon spectaculaire la fonctionnalité du dispositif. Et, pour la première fois, les pérovskites hybrides permettent de réaliser des dispositifs efficaces traités en solution.
« Nous pouvons simplement modifier la composition chimique de la pérovskite pour régler sa bande interdite. Ce qui nous permet de modifier le profil d'absorption », a déclaré M. Schmidt-Mende. On peut donc l'utiliser pour préparer des diodes électroluminescentes à différentes longueurs d'onde ou pour accorder le matériau pérovskite pour les cellules solaires en tandem afin d'optimiser le profil d'absorption.
La tolérance élevée aux défauts, cependant, « est venue comme une surprise qui doit être mieux comprise », a-t-il déclaré. Comprendre les détails aidera à optimiser davantage le matériau, peut-être à trouver d'autres alternatives efficaces similaires. Nous donnerons la possibilité d'améliorer les applications basées sur les semi-conducteurs pérovskites.
Les inconvénients de pérovskites
Le groupe souligne que les dispositifs à base de pérovskite présentent actuellement deux inconvénients majeurs.
Tout d'abord, les dispositifs les plus efficaces contiennent tous du plomb toxique. Les efforts pour le remplacer par des éléments moins toxiques n'ont pas eu jusqu'à présent de grands succès. Deuxièmement, les dispositifs en pérovskite ont une durée de vie réduite par rapport aux dispositifs en silicium.
« La stabilité des dispositifs en pérovskite ait considérablement augmenté au cours des dernières années. Toutefois, nous ne comprenons toujours pas et n'avons pas surmonté tous ses mécanismes de dégradation », a déclaré M. Schmidt-Mende.
De nombreux chercheurs travaillent sur les cellules solaires. Avec la possibilité de régler la bande interdite, les pérovskites sont ainsi intéressantes pour les applications en tandem. Les applications où l'on peut les combiner à une cellule solaire au silicium existante.
« Les diodes électroluminescentes sont parmi les autres applications, où il est possible d'ajuster la couleur de la lumière émise en ajustant la composition chimique de la pérovskite », a déclaré M. Schmidt-Mende. « Comme pour les autres semi-conducteurs, la liste des applications possibles est longue. Nous ne faisons que commencer à comprendre ce matériau et son potentiel. »
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