Films photovoltaïques de perovskite à haute efficacité avec technique assistée par ménisque – ScienceDaily


Une nouvelle technique d'impression de solution à basse température permet de fabriquer des cellules solaires à perovskite à haute efficacité avec de grands cristaux destinés à minimiser les limites de grains qui courent actuellement le courant. La technique d'impression par solution assistée par ménisque (MASP) renforce l'efficacité de la conversion de puissance à près de 20% en contrôlant la taille et l'orientation des cristaux.

Le procédé, qui utilise des plaques parallèles pour créer un ménisque d'encre contenant les précurseurs de perovskite aux halogénures métalliques, pourrait être développé pour générer rapidement de grandes surfaces de film cristallin dense sur divers substrats, y compris des polymères souples. Les paramètres de fonctionnement pour le processus de fabrication ont été choisis en utilisant une étude cinétique détaillée des cristaux de perovskite observés tout au long de leur formation et leur cycle de croissance.

"Nous avons utilisé une technique d'impression de solution assistée par un ménisque à basse température pour fabriquer des films de perovskite de haute qualité avec une performance optoélectronique beaucoup améliorée", a déclaré Zhiqun Lin, professeur à l'École de sciences et d'ingénierie des matériaux de l'Institut de technologie de la Géorgie. "Nous avons commencé par développer une compréhension détaillée de la cinétique de croissance des cristaux qui nous a permis de savoir comment les paramètres de préparation devraient être accordés pour optimiser la fabrication des films".

La nouvelle technique est rapportée le 7 juillet dans la revue Nature Communications . La recherche a été soutenue par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force (AFOSR) et la National Science Foundation (NSF).

Les perovskites offrent une alternative attrayante aux matériaux traditionnels pour capturer l'électricité à partir de la lumière, mais les techniques de fabrication existantes produisent généralement de petits grains cristallins dont les limites peuvent piéger les électrons produits lorsque les photons frappent les matériaux. Les techniques de production existantes pour la préparation de films de perovskite à gros grains nécessitent habituellement des températures plus élevées, ce qui n'est pas favorable pour les matériaux polymères utilisés comme substrats – ce qui pourrait aider à réduire les coûts de fabrication et à permettre des cellules souples de perovskite.

Alors, Lin, chercheur scientifique, Ming et ses collègues ont décidé d'essayer une nouvelle approche qui repose sur l'action capillaire pour dessiner de l'encre de perovskite dans un ménisque formé entre deux plaques presque parallèles d'environ 300 microns. La plaque inférieure se déplace en continu, permettant au solvant de s'évaporer au bord du ménisque pour former une perovskite cristalline. À mesure que les cristaux se forment, de l'encre fraîche est aspirée dans le ménisque en utilisant le même processus physique qui forme une bague de café sur une surface absorbante telle que du papier.

"Parce que l'évaporation des solvants déclenche le transport des précurseurs de l'intérieur vers l'extérieur, les précurseurs de la perovskite s'accumulent au bord du ménisque et forment une phase saturée", a expliqué Lin. "Cette phase saturée conduit à la nucléation et à la croissance des cristaux. Sur une grande surface, nous voyons un film plat et uniforme ayant une cristallinité élevée et une croissance dense de gros cristaux"

Pour établir le taux optimal de déplacement des plaques, la distance entre les plaques et la température appliquée à la plaque inférieure, les chercheurs ont étudié la croissance des cristaux de perovskite pendant le MASP. En utilisant des films effectués à travers un microscope optique pour surveiller les grains, ils ont découvert que les cristaux se développaient d'abord à un taux quadratique, mais lentement à un taux linéaire quand ils ont commencé à frapper leurs voisins.

"Lorsque les cristaux se heurtent à leurs voisins, cela affecte leur croissance", a noté He. "Nous avons constaté que tous les grains que nous avons étudiés ont suivi une dynamique de croissance similaire et sont devenus un film continu sur le substrat".

Le processus MASP génère des cristaux relativement importants – 20 à 80 microns de diamètre – qui recouvrent la surface du substrat. Avoir une structure dense avec moins de cristaux minimise les lacunes qui peuvent interrompre le flux de courant et réduit le nombre de limites qui peuvent piéger les électrons et les trous et leur permettre de se recombiner.

À l'aide de films produits avec le procédé MASP, les chercheurs ont construit des cellules solaires qui ont une efficacité de conversion de puissance en moyenne de 18 pour cent – avec environ 20 pour cent. Les cellules ont été testées avec plus de 100 heures de fonctionnement sans encapsulation. "La stabilité de notre film MASP est améliorée en raison de la qualité des cristaux", a déclaré Lin.

Doctor-blading est l'une des techniques conventionnelles de fabrication de perovskite dans lesquelles des températures plus élevées sont utilisées pour évaporer le solvant. Lin et ses collègues ont chauffé leur substrat à seulement 60 degrés Celsius, ce qui serait potentiellement compatible avec les matériaux de substrat polymère.

Jusqu'à présent, les chercheurs ont produit des échantillons à l'échelle centimétrique, mais ils pensent que le processus pourrait être étendu et appliqué sur des substrats souples, ce qui pourrait faciliter le traitement continu du rouleau-roulis des matériaux de perovskite. Cela pourrait aider à réduire le coût de production de cellules solaires et d'autres dispositifs optoélectroniques.

"La technique d'impression de solution assistée par le ménisque aurait des avantages pour les cellules solaires flexibles et d'autres applications nécessitant un processus de fabrication en continu à basse température", a ajouté Lin. "Nous nous attendons à ce que le processus puisse être mis à l'échelle pour produire des films à grande échelle de perovskite".

Parmi les étapes suivantes, on fabrique les films sur des substrats polymères et on évalue d'autres propriétés uniques (par exemple, thermiques et piézotroniques) du matériau.

Lire la suite (en anglais)

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