Le silicium, le matériau semi-conducteur standard utilisé dans une foule d’applications – unités centrales de traitement (CPU), puces semi-conductrices, détecteurs et cellules solaires – est un matériau naturel abondant. Cependant, il est coûteux à extraire et à purifier.
Les pérovskites, une famille de matériaux surnommés pour leur structure cristalline, se sont révélées extraordinairement prometteuses ces dernières années en tant que remplacement beaucoup moins coûteux et tout aussi efficace du silicium dans les cellules solaires et les détecteurs. Maintenant, une étude menée par Chunlei Guo, professeur d’optique à l’Université de Rochester, suggère que les pérovskites pourraient devenir beaucoup plus efficaces.
Les chercheurs synthétisent généralement les pérovskites dans un laboratoire humide, puis appliquent le matériau sous forme de film sur un substrat en verre et explorent diverses applications
Guo propose à la place une nouvelle approche basée sur la physique. En utilisant un substrat constitué d’une couche de métal ou de couches alternées de métal et de matériau diélectrique plutôt que de verre, lui et ses co-auteurs ont découvert qu’ils pouvaient augmenter l’efficacité de conversion de la lumière de la pérovskite de 250 %.
Leurs découvertes sont rapportées dans Photonique de la nature.
« Personne d’autre n’est venu à cette observation dans les pérovskites », dit Guo. « Tout d’un coup, nous pouvons placer une plate-forme métallique sous une pérovskite, modifiant complètement l’interaction des électrons dans la pérovskite. Ainsi, nous utilisons une méthode physique pour concevoir cette interaction. »
Une nouvelle combinaison pérovskite-métal crée « beaucoup de physique surprenante »
Les métaux sont probablement les matériaux les plus simples dans la nature, mais ils peuvent être amenés à acquérir des fonctions complexes. Le Guo Lab possède une vaste expérience dans ce domaine. Le laboratoire a été le pionnier d’une gamme de technologies transformant des métaux simples en noir, superhydrophile (attirant l’eau) ou superhydrophobe (hydrofuge). Les métaux améliorés ont été utilisés pour l’absorption de l’énergie solaire et la purification de l’eau dans leurs études récentes.
Dans ce nouvel article, au lieu de présenter un moyen d’améliorer le métal lui-même, le Guo Lab montre comment utiliser le métal pour améliorer l’efficacité des pérovskites.
« Un morceau de métal peut faire autant de travail qu’une ingénierie chimique complexe dans un laboratoire humide », explique Guo, ajoutant que la nouvelle recherche pourrait être particulièrement utile pour la future récolte d’énergie solaire.
Dans une cellule solaire, les photons de la lumière du soleil doivent interagir avec les électrons et les exciter, ce qui fait que les électrons quittent leurs noyaux atomiques et génèrent un courant électrique, explique Guo. Idéalement, la cellule solaire utiliserait des matériaux faibles pour ramener les électrons excités vers les noyaux atomiques et arrêter le courant électrique.
Le laboratoire de Guo a démontré qu’une telle recombinaison pouvait être pratiquement empêchée en combinant un matériau pérovskite avec une couche de métal ou un substrat de métamatériau constitué de couches alternées d’argent, un métal noble et d’oxyde d’aluminium, un diélectrique.
Le résultat a été une réduction significative de la recombinaison électronique grâce à « beaucoup de physique surprenante », a déclaré Guo. En effet, la couche métallique sert de miroir, ce qui crée des images inversées de paires électron-trou, affaiblissant la capacité des électrons à se recombiner avec les trous.
Le laboratoire a pu utiliser un simple détecteur pour observer l’augmentation résultante de 250 % de l’efficacité de la conversion de la lumière.
Plusieurs défis doivent être résolus avant que les pérovskites ne deviennent pratiques pour les applications, en particulier leur tendance à se dégrader relativement rapidement. Actuellement, les chercheurs se précipitent pour trouver de nouveaux matériaux pérovskites plus stables.
« Au fur et à mesure que de nouvelles pérovskites émergent, nous pouvons alors utiliser notre méthode basée sur la physique pour améliorer encore leurs performances », a déclaré Guo.
Les co-auteurs incluent Kwang Jin Lee, Ran Wei, Jihua Zhang et Mohamed Elkabbash, tous membres actuels et anciens du Guo Lab ; et Ye Wang, Wenchi Kong, Sandeep Kumar Chamoli, Tao Huang et Weili Yu, tous de l’Institut d’optique, de mécanique fine et de physique de Changchun en Chine.
Plus d’information:
Kwang Jin Lee et al, suppression gigantesque du taux de recombinaison dans les pérovskites aux halogénures de plomb 3D pour des performances de photodétecteur améliorées, Photonique de la nature (2023). DOI : 10.1038/s41566-022-01151-3