L’α-FAPbI3, un matériau de cellule solaire prometteur doté d’une structure pérovskite cubique métastable à température ambiante, peut être stabilisé en introduisant un ion pseudo-halogénure comme le thiocyanate (SCN–) dans sa structure, comme l’ont démontré les chercheurs de Tokyo Tech dans une nouvelle étude. étude. Leur découverte fournit de nouvelles informations sur la stabilisation de la phase α via l’ingénierie des joints de grains et des pseudo-halogénures.
L’ouvrage est publié dans le Journal de l’American Chemical Society.
La lumière que nous recevons chaque jour du soleil, si elle est exploitée efficacement, peut nous aider à faire face à la crise énergétique mondiale actuelle ainsi qu’à nos préoccupations face au changement climatique. Des matériaux dotés de bonnes propriétés photophysiques, c’est-à-dire d’absorption de la lumière, sont utilisés pour concevoir des cellules solaires, qui convertissent la lumière du soleil en énergie électrique.
L’un de ces matériaux qui a récemment pris de l’ampleur dans ce domaine est l’iodure de plomb α-formamidinium ou α-FAPbI3 (où FA+ = CH(NH2)2+), un solide cristallin avec une structure perovskite cubique.
Les cellules solaires fabriquées en α-FAPbI3 présentent un rendement de conversion remarquable de 25,8 % et un écart énergétique de 1,48 eV, des spécifications hautement souhaitables pour les applications réelles. Malheureusement, l’α-FAPbI3 est métastable à température ambiante et subit une transition de phase vers le δ-FAPbI3 lorsqu’il est déclenché par l’eau ou la lumière. L’écart énergétique du δ-FAPbI3 est bien supérieur à la valeur idéale pour les applications de cellules solaires, ce qui rend la préservation de la phase α cruciale à des fins pratiques.
Pour surmonter ce problème, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur agrégé Takafumi Yamamoto de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) a récemment présenté une nouvelle stratégie pour stabiliser l’α-FAPbI3. L’équipe se concentre sur le mécanisme de stabilisation de l’α-FAPbI3 en introduisant un anion pseudo-halogénure, le thiocyanate (SCN–).
« Des études antérieures ont montré que le remplacement partiel des anions de surface de FAPbI3 de l’iodure (I-) par l’ion SCN- stabilise la phase α. Cependant, on ne sait toujours pas comment les ions SCN- s’incorporent dans le réseau pérovskite et augmentent la stabilité interfaciale, » explique le Dr Yamamoto.
Des échantillons de monocristaux et de poudre de pérovskite pseudo-cubique stabilisée au thiocyanate ont été préparés par l’équipe pour la première fois. L’analyse structurale a révélé qu’il possède une superstructure √5 fois de pérovskite cubique avec des défauts en colonnes ordonnés, constituant la phase α’. Le nouveau matériau s’est révélé thermodynamiquement stable dans une atmosphère sèche à température ambiante et présentait une bande interdite d’énergie de 1,91 eV.
L’équipe a découvert que la présence de la phase α’ dans un échantillon contenant la phase δ favorisait la transformation de la phase δ en phase α, réduisant ainsi la température de transition de plus de 100 K. Ils ont souligné que les modèles ordonnés par défauts dans le La phase α’, qui peut former un réseau de sites de coïncidence au niveau de la frontière maclée, conduit à la stabilisation de la phase α, soit par réduction de son énergie de nucléation, soit par stabilisation thermodynamique via épitaxie.
Ces connaissances acquises par les chercheurs pourraient encourager des recherches plus approfondies sur l’effet de l’ordre des postes vacants et de la tolérance aux défauts sur la stabilité des pérovskites aux halogénures. « Ce travail montre que l’α-FAPbI3 peut être stabilisé grâce à l’ingénierie des pseudo-halogénures et des joints de grains, ce qui pourrait s’avérer bénéfique pour les scientifiques essayant de développer de nouveaux matériaux de cellules solaires thermodynamiquement stables avec des bandes interdites idéales et une excellente efficacité de conversion », conclut le Dr Yamamoto.
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Journal de l’American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c05390