Technologie d'évaporation laser pour créer de nouveaux matériaux solaires
Les cristaux hybrides organiques-inorganiques délicats ouvrent de nouvelles possibilités pour les technologies basées sur la lumière
Les pérovskites sont une classe de matériaux qui - avec la bonne combinaison d'éléments - ont une structure cristalline qui les rend particulièrement bien adaptés aux applications à base de lumière. Leur capacité à absorber la lumière et à transférer efficacement leur énergie en fait une cible commune pour les chercheurs qui développent de nouveaux types de cellules solaires, par exemple.
La perovskite la plus couramment utilisée aujourd'hui dans l'énergie solaire, l'iodure de méthylammonium et de plomb (MAPbI3), peut convertir la lumière en énergie aussi bien que les meilleurs panneaux solaires actuellement disponibles dans le commerce. Et il peut le faire en utilisant une fraction du matériau - un ruban 100 fois plus mince qu'une cellule solaire à base de silicium typique.
L'iodure de plomb et de méthylammonium est l'un des rares pérovskites qui peuvent être créés en utilisant des techniques de production standard de l'industrie, bien qu'il ait encore des problèmes d'évolutivité et de durabilité. Pour vraiment libérer le potentiel des perovskites, cependant, de nouvelles méthodes de fabrication sont nécessaires parce que le mélange de molécules organiques et inorganiques dans une structure cristalline complexe peut être difficile à faire. Les éléments organiques sont particulièrement délicats, mais sont essentiels à la capacité du matériau hybride à absorber et à émettre de la lumière efficacement.
«L'iodure de plomb et de méthylammonium a un composant organique très simple, mais il est un absorbeur de lumière très performant», a déclaré, professeur de génie mécanique et de science des matériaux. «Si nous pouvons trouver une nouvelle approche de fabrication qui peut construire des combinaisons moléculaires plus complexes, cela ouvrira de nouveaux domaines de la chimie pour les matériaux multifonctionnels.»
Dans la nouvelle étude, professeur agrégé de génie électrique et informatique, pour démontrer une telle approche de fabrication. La technique est appelée évaporation laser pulsée assistée par matrice infrarouge résonante, ou RIR-MAPLE pour faire court, et a été développée au cours de la dernière décennie.
Adaptée d'une technologie inventée en 1999 appelée MAPLE, cette technique consiste à congeler une solution contenant les blocs moléculaires de la pérovskite, puis à projeter le bloc congelé avec un laser dans une chambre à vide.
Quand un laser vaporise un petit morceau de la cible gelée de la taille d'une fossette sur une balle de golf, la vapeur se déplace vers le haut dans un panache qui recouvre la surface inférieure de tout objet suspendu, tel qu'un composant dans une cellule solaire. Une fois qu'une quantité suffisante de matière s'accumule, le processus est arrêté et le produit est chauffé pour cristalliser les molécules et fixer le film mince en place.
En version de la technologie, la fréquence du laser est spécifiquement accordée aux liaisons moléculaires du solvant congelé. Le solvant absorbe donc la plus grande partie de l'énergie, laissant les matières organiques délicates intactes lorsqu'elles se déplacent vers la surface du produit.
«La technologie RIR-MAPLE est extrêmement douce pour les composants organiques du matériau, beaucoup plus que d'autres techniques basées sur le laser», a déclaré. "Cela le rend également beaucoup plus efficace, en exigeant seulement une petite fraction des matériaux organiques pour atteindre le même produit final."
Bien qu'aucune cellule solaire à base de pérovskite ne soit encore disponible sur le marché, quelques entreprises travaillent à la commercialisation de l'iodure de plomb et de méthylammonium et d'autres matériaux étroitement apparentés. Et bien que les matériaux fabriqués dans cette étude aient un meilleur rendement des cellules solaires que ceux réalisés avec d'autres technologies à base de laser, ils n'atteignent pas encore ceux réalisés avec des procédés traditionnels basés sur des solutions.
«Alors que les techniques basées sur les solutions peuvent aussi être douces pour les composés organiques et peuvent produire de bons matériaux photovoltaïques hybrides, elles ne peuvent pas être utilisées pour des molécules organiques plus complexes et plus difficilement solubles», a-t-il ajouté.
«Grâce à cette démonstration de la technologie RIR-MAPLE, nous espérons ouvrir un tout nouveau monde de matériaux à l'industrie des cellules solaires», poursuit le chercheur. "Nous pensons également que ces matériaux pourraient être utiles pour d'autres applications, telles que les diodes électroluminescentes, les photodétecteurs et les détecteurs de rayons X."
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