Une équipe de scientifiques du Laboratoire national Ames du Département de l’énergie a développé un nouvel outil de caractérisation qui leur a permis d’acquérir un aperçu unique d’un matériau alternatif possible pour les cellules solaires. Sous la direction de Jigang Wang, scientifique principal d’Ames Lab, l’équipe a développé un microscope qui utilise des ondes térahertz pour collecter des données sur des échantillons de matériaux. L’équipe a ensuite utilisé son microscope pour explorer la pérovskite à base d’iodure de plomb et de méthylammonium (MAPbI3), un matériau qui pourrait potentiellement remplacer le silicium dans les cellules solaires.
Richard Kim, un scientifique d’Ames Lab, a expliqué les deux caractéristiques qui rendent le nouveau microscope à sonde à balayage unique. Tout d’abord, le microscope utilise la gamme térahertz de fréquences électromagnétiques pour collecter des données sur les matériaux. Cette gamme est bien en dessous du spectre de la lumière visible, se situant entre les fréquences infrarouges et micro-ondes. Deuxièmement, la lumière térahertz est projetée à travers une pointe métallique pointue qui améliore les capacités du microscope vers des échelles de longueur nanométriques.
« Normalement, si vous avez une onde lumineuse, vous ne pouvez pas voir des choses plus petites que la longueur d’onde de la lumière que vous utilisez. Et pour cette lumière térahertz, la longueur d’onde est d’environ un millimètre, donc c’est assez grand », a expliqué Kim. « Mais ici, nous avons utilisé cette pointe métallique pointue avec un sommet aiguisé à une courbure de rayon de 20 nanomètres, et cela agit comme notre antenne pour voir des choses plus petites que la longueur d’onde que nous utilisions. »
À l’aide de ce nouveau microscope, l’équipe a étudié un matériau pérovskite, MAPbI3, qui a récemment suscité l’intérêt des scientifiques en tant qu’alternative au silicium dans les cellules solaires. Les pérovskites sont un type spécial de semi-conducteur qui transporte une charge électrique lorsqu’il est exposé à la lumière visible. Le principal défi de l’utilisation de MAPbI3 dans les cellules solaires est qu’il se dégrade facilement lorsqu’il est exposé à des éléments tels que la chaleur et l’humidité.
Selon Wang et Kim, l’équipe s’attendait à ce que MAPbI3 se comporte comme un isolant lorsqu’ils l’exposaient à la lumière térahertz. Étant donné que les données recueillies sur un échantillon sont une lecture de la façon dont la lumière se diffuse lorsque le matériau est exposé aux ondes térahertz, ils s’attendaient à un faible niveau constant de diffusion de la lumière dans tout le matériau. Ce qu’ils ont découvert, cependant, c’est qu’il y avait beaucoup de variation dans la diffusion de la lumière le long de la frontière entre les grains.
Kim a expliqué que les matériaux conducteurs, comme les métaux, auraient un niveau élevé de diffusion de la lumière, tandis que les matériaux moins conducteurs comme les isolants n’en auraient pas autant. La grande variation de la diffusion de la lumière détectée le long des joints de grains dans MAPbI3 met en lumière le problème de dégradation du matériau.
Au cours d’une semaine, l’équipe a continué à collecter des données sur le matériau, et les données collectées pendant cette période ont montré le processus de dégradation par des changements dans les niveaux de diffusion de la lumière. Ces informations peuvent être utiles pour améliorer et manipuler le matériel à l’avenir.
« Nous pensons que la présente étude démontre un puissant outil de microscopie pour visualiser, comprendre et potentiellement atténuer la dégradation des joints de grains, les pièges à défauts et la dégradation des matériaux », a déclaré Wang. « Une meilleure compréhension de ces problèmes pourrait permettre de développer des dispositifs photovoltaïques à base de pérovskite très efficaces pendant de nombreuses années. »
Les échantillons de MAPbI3 ont été fournis par l’Université de Tolède. Cette recherche est discutée plus en détail dans l’article « Terahertz Nanoimaging of Perovskite Solar Cell Materials », écrit par Richard HJ Kim, Zhaoyu Liu, Chuankun Huang, Joong-Mok Park, Samuel J. Haeuser, Zhaoning Song, Yanfa Yan, Yongxin Yao, Liang Luo, et Jigang Wang, et publié dans le ACS Photonique.
Plus d’information:
Richard HJ Kim et al, Nanoimagerie térahertz des matériaux de cellules solaires pérovskites, ACS Photonique (2022). DOI : 10.1021/acsphotonics.2c00861