Une avancée dans l’imagerie électrique des cellules solaires
Des chercheurs de l’Institut de Technologie et d’Ingénierie des Matériaux de Ningbo (NIMTE), qui fait partie de l’Académie Chinoise des Sciences, ont mis au point une technique révolutionnaire d’imagerie électrique en trois dimensions. Cette nouveauté permet une observation directe du mouvement des charges au sein des films de cellules solaires en pérovskite.
Cette avancée traite un défi majeur des photovoltaiques en pérovskite : la présence de défauts internes cachés qui perturbent le transport des charges, diminuent l’efficacité et compromettent la stabilité à long terme, malgré des performances impressionnantes en laboratoire. Les cellules solaires en pérovskite sont considérées comme une alternative économique et à haute efficacité par rapport aux photovoltaïques en silicium traditionnels.
Les limitations des techniques traditionnelles
Cependant, les défauts microscopiques présents dans ces films agissent comme des goulots d’étranglement électriques, induisant des pertes d’énergie que les outils de diagnostic classiques peinent à mesurer correctement. Pour remédier à cela, les chercheurs recourent souvent aux traitements de passivation, ajoutant des sels ou des molécules organiques qui se fixent aux défauts. Bien que ces traitements soient courants, il a été difficile de vérifier leur efficacité en profondeur, car la plupart des techniques n’explorent que les couches superficielles ou fournissent des données électriques moyennes.
Apporter de la clarté sous la surface
Pour surmonter cette limitation, l’équipe du NIMTE a utilisé la microscopie à force atomique conductrice tomographique (TC-AFM), une méthode qui permet une cartographie électrique à résolution de profondeur. Ce processus consiste à retirer séquentiellement des couches ultrafines d’un film de pérovskite tout en mesurant la conductivité électrique locale à chaque niveau de profondeur.
En superposant ces données, les chercheurs ont pu dresser une carte en trois dimensions du transport des charges avec une résolution à l’échelle nanométrique. Cela leur a permis d’obtenir un aperçu unique des chemins électriques qui se forment et se dégradent à l’intérieur du matériau.
Comparaison des films de pérovskite
En appliquant cette méthode, l’équipe a examiné des films de pérovskite non traités et des échantillons ayant subi différentes stratégies de passivation. Les films non traités présentaient de vastes zones à faible conductivité qui entravaient le transport des charges, en particulier le long des frontières de grains où les défauts s’accumulent. Les traitements de passivation en volume ont considérablement réduit ces zones résistantes à l’intérieur du film.
D’autre part, la passivation en surface a principalement amélioré la conductivité près de l’interface supérieure, un endroit crucial pour le contact avec les électrodes et l’intégration des dispositifs. Les films ayant bénéficié d’une passivation à la fois en volume et en surface ont montré les meilleures performances, affichant des voies conductrices continues et uniformes. Les zones à faible conductivité restantes étaient en grande partie limitées à la surface, proposant un réseau interne de transport de charges plus efficace.
Impacts sur les performances des cellules solaires
“Ces caractéristiques électriques microscopiques sont fortement corrélées aux performances des cellules solaires, établissant un lien direct entre le transport 3D des charges à l’intérieur du film et l’efficacité globale de l’appareil,” a déclaré le Professeur XIAO Chuanxiao, coauteur de l’étude.
Vers une conception plus intelligente des matériaux solaires
En plus d’améliorer les cellules solaires en pérovskite, cette nouvelle méthode d’imagerie se révèle être un outil de diagnostic au niveau des systèmes pour l’électronique à couches minces, où le comportement électrique interne est souvent un indicateur clé de la fiabilité et de la longévité des dispositifs. En visualisant directement la manière dont les charges se déplacent à travers des matériaux complexes, les chercheurs peuvent désormais évaluer les stratégies de passivation avec une précision accrue, faisant passer leur approche d’hypothèses superficielles à une optimisation des matériaux basée sur des données concrètes.
Les résultats de ces travaux pourraient considérablement accélérer le passage des technologies de pérovskite de prototypes de laboratoire à des dispositifs commerciaux durables, en s’attaquant à un des goulets d’étranglement les plus critiques de ce domaine.
Cette recherche ouvre également la voie à des applications plus larges dans le domaine des dispositifs optoélectroniques et à couches minces, où comprendre la conductivité interne est essentiel pour la performance et la stabilité des dispositifs, comme le démontrent les résultats publiés dans Newton.
FAQ
Qu’est-ce que la pérovskite et pourquoi est-elle utilisée dans les cellules solaires ?
La pérovskite est une structure cristalline qui, dans le contexte des cellules solaires, permet d’atteindre des rendements élevés à moindre coût. Dans les cellules photovoltaïques, elle joue un rôle crucial pour la conversion de l’énergie solaire en électricité.
Comment fonctionne la passivation des films en pérovskite ?
La passivation consiste à appliquer des substances sur le film de pérovskite pour combler ou neutraliser les défauts internes qui perturberaient la circulation des charges, améliorant ainsi l’efficacité globale du dispositif.
Quels sont les avantages de la microscopie à force atomique conductrice tomographique (TC-AFM) ?
La TC-AFM permet de visualiser le transport électrique à différentes profondeurs d’un film, offrant ainsi une compréhension plus fine des chemins de conduction comparativement aux méthodes d’imagerie traditionnelles qui se limitent à la surface.
Quelles implications ces recherches ont-elles pour l’industrie solaire ?
Ces avancées pourraient faciliter la transition des technologies de pérovskite vers des produits commerciaux viables et fiables, en améliorant la durabilité et la performance des cellules solaires.
Peut-on appliquer cette méthode à d’autres types de matériaux ?
Oui, cette méthode d’imagerie peut également être utilisée pour évaluer le transport électrique dans d’autres matériaux à couches minces, ce qui la rend utile pour divers dispositifs électroniques et optoélectroniques.
