📰 Optimiser les performances des cellules solaires
📰 optimiser les performances des cellules solaires

📰 Optimiser les performances des cellules solaires

Le contrôle de la microstructure des films minces de pérovskites hybrides halogénées utilisées dans les cellules solaires est essentiel pour optimiser leurs performances. Les chercheurs de l’Irig s’intéressent à l’état de déformation de films de pérovskite par diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu’elles rencontrent un obstacle qui ne leur est…) de rayons X et étudient l’orientation (Au sens littéral, l’orientation désigne ou matérialise la direction de l’Orient (lever du soleil…) du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d’équipements reliés entre eux pour échanger des…) cristallin dans ces films par microscopie (La microscopie est l’observation d’un échantillon (placé dans une préparation microscopique…) de rayons X en diffraction. La stabilité des différentes orientations des domaines est étudiée quant à elle par DFT et illustre le rôle déterminant de l’environnement (L’environnement est tout ce qui nous entoure. C’est l’ensemble des éléments naturels et…) chimique à l’interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface…) film-substrat.

Dans le contexte (Le contexte d’un évènement inclut les circonstances et conditions qui l’entourent; le…) du développement des technologies photovoltaïques, les cellules solaires à base de pérovskites hybrides halogénées (PHH) font l’objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans…) d’intenses études depuis une dizaine d’années. Ces cellules atteignent aujourd’hui des valeurs de rendement de conversion énergétique proches de celles des cellules solaires au silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si…), de l’ordre de 25,5 %. Toutefois de nombreux défis restent à relever pour égaler les performances du silicium, notamment en ce qui concerne la stabilité des performances dans le temps (Le temps est un concept développé par l’être humain pour appréhender le…), stabilité qui nécessite entre autres la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de…) des propriétés structurales des couches minces de PHH. Or des questions subsistent par exemple sur l’état de contrainte du réseau cristallin qui compose ces couches minces de PHH et sur son orientation.

Il est bien établi que l’état de déformation de la couche de pérovskite affecte sa stabilité, de même que l’orientation du réseau cristallin affecte potentiellement les propriétés optoélectroniques de la pérovskite. Dans la perspective de maîtriser la microstructure des couches minces de PHH, des chercheurs de l’Irig ont utilisé la diffraction de rayons X (DRX) en laboratoire et la microscopie de rayons X en diffraction sur synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné…) pour identifier et comprendre les mécanismes gouvernant l’état de déformation et l’orientation cristalline de couches minces de MAPbI3 l’un des matériaux (Un matériau est une matière d’origine naturelle ou artificielle que l’homme façonne pour en…) PHH de référence.

Dans un premier temps, les chercheurs de l’Irig se sont intéressés à l’état de déformation de films de pérovskite. Pour cela, ils ont réalisé des mesures de DRX in situ qui leur ont permis de remettre en question l’hypothèse communément acceptée selon laquelle les couches de PHH synthétisées à 100 °C présentent une déformation à température (La température est une grandeur physique mesurée à l’aide d’un thermomètre et…) ambiante du fait de la différence entre les valeurs du coefficient de dilatation (Les coefficients de dilatation mesurent l’augmentation relative de volume d’un système lorsque…) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d’énergie, de l’utilisation de…) (CDT) de la PHH et du substrat sur lequel sont déposés les couches minces. Leurs mesures ont en effet mis en évidence la possibilité d’obtention de couches minces de MAPbI3 complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou…) relaxées (sans déformations) démontrant ainsi l’absence de corrélation directe entre la différence de CDT et la déformation des films minces.

Dans un second temps, les chercheurs ont étudié l’orientation du réseau cristallin dans ces couches minces par microscopie de rayons X en diffraction à l’European Synchrotron Radiation (Le rayonnement est un transfert d’énergie sous forme d’ondes ou de particules, qui peut se…) Facility (ESRF à Grenoble), une technique qui permet de visualiser tous les domaines cristallins présentant une même orientation. Leurs résultats ont permis d’attribuer l’origine de la double texture parfois observée dans les mesures de DRX à la présence de mâcles ferroélastiques (Image) se formant (Dans l’intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de…) lors de la transition structurale cubique-tétragonal subie par MAPbI3 vers 57 °C.


Une mâcle est une association de plusieurs cristaux identiques dont les orientations ne sont pas quelconques mais reliées par des opérations de symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l’existence, dans une…) caractéristiques de la structure cristalline du matériau (Un matériau est une matière d’origine naturelle ou artificielle que l’homme façonne…) en question.

Enfin, ces études expérimentales ont été complétées par des calculs de théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,…) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions….) de la densité (La densité ou densité relative d’un corps est le rapport de sa masse volumique à la…) (DFT) qui ont montré que l’environnement chimique à l’interface avec le substrat (“première couche” du réseau MAPbI3 de type MAI ou PbI2) influence l’orientation de la pérovskite.

Ces différents résultats constituent une avancée importante dans la compréhension de la microstructure des couches de pérovskites hybrides halogénées, ouvrant la voie à la maîtrise de leur état de contrainte et de leur texture, dans le but d’améliorer leurs propriétés optoélectroniques, ainsi que les performances et la stabilité des dispositifs.



Les pérovskites hybrides halogénées possèdent un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection…) de propriétés favorables pour le photovoltaïque, rarement présentes en même temps dans les autres types de matériaux: un grand coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d’un certain…) d’absorption (
En optique, l’absorption se réfère au processus par lequel l’énergie d’un photon est prise…), des effets excitoniques faibles, une énergie (Dans le sens commun l’énergie désigne tout ce qui permet d’effectuer un travail, fabriquer de la…) de bande interdite permettant une bonne collection des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l’interaction…), de bonnes propriétés de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu’un, d’un lieu à un autre, le plus…), une grande tolérance aux défauts. De plus, ces propriétés physiques peuvent être modulées par ingénierie (L’ingénierie désigne l’ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la…) chimique, ce qui permet d’optimiser les pérovskites pour les adapter aux différents défis du photovoltaïque tels que la stabilité ou la réalisation de cellules multi-jonctions.

La texture d’une couche mince caractérise l’orientation du réseau cristallin dans la direction perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en…) au plan de la couche.
La microstructure d’une couche mince cristalline est définie par l’état de contrainte, la texture et la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus…) de cohérence du réseau cristallin.

Références:
Medjahed AA, Zhou T, Alvarez Quiceno JC, Dally P, Pochet P, Schülli TU, Djurado D, Reiss P and Pouget S
Microstructure of methylammonium lead iodide perovskite thin films: A comprehensive study of the strain and texture.
Advanced Energy Materials, 2022.

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