Une couche de trois cristaux produit mille fois plus de puissance

Cellules solaires : une couche de trois cristaux produit mille fois plus de puissance

Caractérisation structurale des super-réseaux. (A) STEM transversale acquise à partir de l’échantillon SBC222. (B) STEM haute résolution d’une partie de la région numérisée. Le schéma représente la disposition des cellules unitaires. RSM acquis autour de (103) réflexion dans (C) BTO, (D) SBC555, (E) SBC252 et (F) SBC222. Les flèches étoile et jaune indiquent respectivement le substrat STO et les pics satellites de SL. Crédit: Avancées scientifiques (2021). DOI : 10.1126 / sciadv.abe4206

L’effet photovoltaïque des cristaux ferroélectriques peut être multiplié par 1 000 si trois matériaux différents sont disposés périodiquement dans un réseau. Cela a été révélé dans une étude menée par des chercheurs de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU). Ils y sont parvenus en créant des couches cristallines de titanate de baryum, de titanate de strontium et de titanate de calcium qu’ils ont alternativement superposées. Leurs découvertes, qui pourraient augmenter considérablement l’efficacité des cellules solaires, ont été publiées dans la revue Avancées scientifiques.

La plupart des cellules solaires sont actuellement à base de silicium ; cependant, leur efficacité est limitée. Cela a incité les chercheurs à examiner de nouveaux matériaux, tels que les ferroélectriques comme le titanate de baryum, un oxyde mixte composé de baryum et de titane. « Ferroélectrique signifie que le matériau a spatialement séparé les charges positives et négatives », explique le physicien Dr Akash Bhatnagar du Centre de compétences en innovation de MLU SiLi-nano. « La séparation des charges conduit à une structure asymétrique qui permet de générer de l’électricité à partir de la lumière. » Contrairement au silicium, les cristaux ferroélectriques ne nécessitent pas de jonction dite pn pour créer l’effet photovoltaïque, c’est-à-dire pas de couches dopées positivement et négativement. Cela rend beaucoup plus facile la production des panneaux solaires.

Cependant, le titanate de baryum pur n’absorbe pas beaucoup de lumière solaire et génère par conséquent un photocourant relativement faible. Les dernières recherches ont montré que la combinaison de couches extrêmement fines de différents matériaux augmente considérablement le rendement énergétique solaire. « L’important ici est qu’un matériau ferroélectrique soit alterné avec un matériau paraélectrique. Bien que ce dernier n’ait pas de charges séparées, il peut devenir ferroélectrique dans certaines conditions, par exemple à basse température ou lorsque sa structure chimique est légèrement modifiée », explique Bhatnagar.

Le groupe de recherche de Bhatnagar a découvert que l’effet photovoltaïque est grandement amélioré si la couche ferroélectrique alterne non seulement avec une, mais avec deux couches paraélectriques différentes. Yeseul Yun, titulaire d’un doctorat. étudiant à MLU et premier auteur de l’étude, explique : « Nous avons intégré le titanate de baryum entre le titanate de strontium et le titanate de calcium. Cela a été réalisé en vaporisant les cristaux avec un laser à haute puissance et en les de 500 couches d’environ 200 nanomètres d’épaisseur. »

Lors des mesures photoélectriques, le nouveau matériau a été irradié avec une lumière laser. Le résultat a surpris même le groupe de recherche : par rapport au titanate de baryum pur d’une épaisseur similaire, le flux de courant était jusqu’à 1 000 fois plus fort, et ce malgré le fait que la proportion de titanate de baryum comme composant photoélectrique principal a été réduite de près des deux tiers. . « L’interaction entre les couches du réseau semble conduire à une permittivité beaucoup plus élevée – en d’autres termes, les électrons peuvent circuler beaucoup plus facilement en raison de l’excitation par les photons lumineux », explique Akash Bhatnagar. Les mesures ont également montré que cet effet est très robuste : il est resté quasiment constant sur une période de six mois.

Des recherches plus approfondies doivent maintenant être effectuées pour savoir exactement ce qui cause l’effet photoélectrique exceptionnel. Bhatnagar est convaincu que le potentiel démontré par le nouveau concept peut être utilisé pour des applications pratiques dans les panneaux solaires. « La structure en couches montre un rendement plus élevé dans toutes les plages de température que les ferroélectriques purs. Les cristaux sont également nettement plus durables et ne nécessitent pas d’emballage spécial. »


Une structure fine révélée d’une alternative potentielle au composé de plomb utilisé dans les capteurs


Plus d’information:
Yeseul Yun et al, Effet photovoltaïque fortement amélioré et accordable dans les super-réseaux ferroélectriques-paraélectriques, Avancées scientifiques (2021). DOI : 10.1126 / sciadv.abe4206

Fourni par l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg

Citation: Cellules solaires : la couche de trois cristaux produit mille fois plus de puissance (2021, 20 juillet) récupérée le 20 juillet 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-07-solar-cells-layer-crystals-thousand.html

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