Découverte d'un nouveau concept en photovoltaïque qui exploite la capacité des matériaux à exister dans différentes phases cristallines

Une équipe de chercheurs du Centre de physique intégrée et des matériaux photoniques de l'Université de technologie de Dresde et du Centre d'électronique avancée de Dresde ont démontré un nouveau concept de cellule solaire qui exploite la capacité des matériaux à exister dans différentes phases cristallines. La recherche connexe a maintenant été publiée dans la revue Nature Energy.

Le but d'une cellule photovoltaïque est de convertir la lumière du soleil en électricité. En absorbant la lumière du soleil, des paires de porteurs de charge sont générées, qui doivent ensuite être dirigées vers des côtés opposés de la diode photovoltaïque afin de générer un courant électrique. Pour faciliter ce processus, la plupart des cellules solaires incluent une hétérojonction qui fournit un paysage énergétique favorable pour entraîner la séparation des charges.

Par exemple, les cellules solaires en silicium forment des hétérojonctions en dopant électriquement chaque côté du dispositif, ce qui donne une jonction pn. Les cellules solaires organiques, quant à elles, reposent sur le mélange de différents types de matériaux (donneur et accepteur) pour former des hétérojonctions en vrac. Cependant, ces concepts ne sont généralement pas applicables aux classes émergentes de nouveaux matériaux photovoltaïques.

L'équipe de recherche du projet a maintenant démontré un nouveau concept pour la formation d'hétérojonctions photovoltaïques. Pour ce faire, les chercheurs ont profité du fait que les matériaux peuvent souvent exister sous différentes formes structurales, appelées phases cristallines.

Ce phénomène, connu sous le nom de polymorphisme, signifie qu'un même matériau peut présenter des propriétés différentes en fonction de l'arrangement spécifique des atomes et des molécules dans sa structure. En liant deux phases cristallines d'un même matériau, les chercheurs ont mis en évidence pour la première fois la formation d'une cellule solaire à hétérojonction. Plus précisément, les chercheurs ont choisi un chalcogénure de plomb iodure de césium - un matériau absorbant efficace pour les cellules solaires dans les phases bêta et gamma - pour leur nouveau concept.

Les chercheurs ont expliqué: "Les propriétés optiques et électroniques de l'iodure de plomb au césium dans les phases et diffèrent les unes des autres, et en plaçant du chalcogénure au-dessus du chalcogénure, nous avons pu créer une cellule solaire à hétérojonction de phase nettement plus efficace que le solaire cellules à base de chalcogénure monophasé." Dans leur étude, les chercheurs ont montré que la couche supérieure de la phase affecte les performances de la cellule solaire de plusieurs manières.

Une analyse spectroscopique avancée a montré que l'amélioration des performances était associée à une absorption accrue de la lumière et à la formation d'un alignement énergétique favorable entre les deux phases, ont déclaré les chercheurs.

Surtout, les chercheurs ont confirmé que l'hétérojonction de phase restait stable pendant le fonctionnement de la cellule solaire et supprimait même la migration des ions dans l'absorbeur de la cellule solaire, résolvant un problème courant avec les matériaux chalcogénures.

Pour réaliser le concept d'hétérojonction de phase, les chercheurs ont utilisé deux procédés de fabrication différents pour les couches supérieure et inférieure. Les chercheurs disent qu'ils espèrent que ce nouveau concept, combiné à une voie de fabrication simple pour les hétérojonctions de phase, sera également applicable à une large gamme de systèmes matériels dans une gamme de dispositifs électroniques et optoélectroniques.

Comme de nombreuses classes de semi-conducteurs présentent un polymorphisme, ce concept pourrait ouvrir la voie à des applications entièrement nouvelles basées sur les hétérojonctions de phase, qui peuvent être fabriquées à partir d'un seul matériau en utilisant un processus de fabrication simple et peu coûteux.