Controlled Crystallization of Lead-Free Cs3Bi2I9 Perovskite Nanocrystals via Continuous- Flow Ligand-Assisted Re-precipitation
Cette étude démontre la synthèse contrôlée de nanocristaux de pérovskite Cs3Bi2I9 sans plomb via une méthode de reprécipitation assistée par ligands en flux continu, résultant en des couches minces avec une bande interdite de 1,8 eV et des dispositifs photovoltaïques atteignant une efficacité de conversion de puissance de 0,5 %.
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La technologie de l'énergie solaire repose depuis longtemps sur une classe de matériaux appelés pérovskites, qui sont des cristaux capables de capturer la lumière du soleil et de la transformer en électricité avec une efficacité remarquable. Les versions traditionnelles de ces matériaux contiennent souvent du plomb, un métal toxique qui pose des risques environnementaux et sanitaires, limitant ainsi leur utilisation généralisée. Les scientifiques recherchent un substitut plus sûr qui conserve la haute performance tout en éliminant le danger. Un candidat prometteur est un composé composé de bismuth, un métal courant que l'on trouve dans tout, des cosmétiques aux extincteurs, associé à l'iode et au césium. Ce matériau sans plomb, connu sous le nom de Cs3Bi2I9, est stable et non toxique, mais il a été difficile de le fabriquer d'une manière qui produise des films de haute qualité adaptés aux cellules solaires. Le défi réside dans le contrôle de la façon dont les minuscules cristaux se forment ; si ils croissent trop rapidement ou de manière inégale, la cellule solaire résultante ne peut pas déplacer l'électricité efficacement.
Des chercheurs de l'Institut de recherche sur l'énergie solaire en Malaisie ont entrepris de résoudre ce casse-tête de fabrication en modifiant la façon dont ils mélangent les ingrédients. Au lieu de mélanger les produits chimiques dans un bécher standard et de les laisser reposer, ils ont utilisé un réacteur à flux continu, un système qui pousse les précurseurs liquides à travers un canal étroit où ils se mélangent et réagissent sous des conditions précises. L'équipe s'est concentrée sur une seule variable : le temps que le mélange passe à l'intérieur de ce canal, appelé temps de résidence. Ils ont testé trois durées différentes pour voir comment la durée de la réaction influençait les cristaux finaux. En ajustant ce minutage, ils visaient à guider les cristaux pour qu'ils croissent plus grands, plus uniformes et avec moins de défauts internes, ce qui est essentiel pour capturer la lumière et transporter la charge électrique.
Les résultats ont montré que le temps était effectivement le facteur critique. Lorsque le mélange circulait dans le réacteur pendant seulement vingt secondes, les cristaux résultants étaient petits, irréguliers et agglomérés. Ces temps de réaction courts n'avaient pas permis aux atomes d'avoir suffisamment d'opportunités pour s'organiser en une structure ordonnée. À mesure que les chercheurs augmentaient le temps à quarante secondes, les cristaux commençaient à s'améliorer, devenant plus uniformes. Cependant, les meilleurs résultats ont été obtenus lorsque le mélange a été laissé à circuler pendant soixante secondes. À cette durée, les cristaux ont grandi en structures en forme de feuilles bien définies, qui étaient nettement plus grandes et plus parfaitement organisées que celles produites par des temps plus courts. L'équipe a confirmé cela en examinant le matériau sous des microscopes puissants et en utilisant la diffraction des rayons X, une technique qui révèle l'ordre interne d'un cristal. Les échantillons de soixante secondes présentaient le plus haut niveau d'ordre structurel, avec moins de défauts qui pourraient piéger ou perdre l'énergie électrique.
Cette amélioration structurelle s'est traduite directement par une meilleure performance lorsque le matériau est transformé en cellule solaire. Les chercheurs ont construit de petits dispositifs en utilisant les cristaux fabriqués à différents temps, les plaçant en sandwich entre des couches d'autres matériaux pour créer un chemin pour le flux d'électricité. Les cellules fabriquées avec les cristaux de soixante secondes ont été les plus performantes, générant une tension de 0,73 volt et une densité de courant de 5,9 × 10⁻² mA cm⁻². Bien que l'efficacité globale de conversion de la lumière solaire en électricité soit modeste à 0,50 pour cent, cela représentait une amélioration significative par rapport aux cellules fabriquées avec le processus plus rapide de vingt secondes, qui présentaient une baisse rapide de la densité de courant à mesure que la tension augmentait. Ce comportement reflétait un mauvais transport de charge et des pertes par recombinaison élevées résultant d'une cristallisation insuffisante et d'une densité de défauts élevée. Les dispositifs de soixante secondes ont également montré un facteur de forme beaucoup plus élevé, une mesure de l'efficacité avec laquelle la cellule délivre la puissance, atteignant 77,6 pour cent. Cela indique que la croissance lente et contrôlée a permis au matériau de former un film de haute qualité capable de déplacer l'électricité beaucoup plus fluidement.
L'étude a également examiné la stabilité de ces nouveaux cristaux sous l'effet de la chaleur. En utilisant l'analyse thermique, les chercheurs ont découvert que le matériau restait stable jusqu'à environ 450 degrés Celsius avant de commencer à se décomposer. Cette haute stabilité thermique est un avantage majeur par rapport à d'autres types de matériaux solaires qui se dégradent à des températures bien plus basses, suggérant que ces cristaux à base de bismuth pourraient résister à la chaleur générée lors du fonctionnement ou de la fabrication normale. L'équipe a conclu que le contrôle du temps que passent les produits chimiques à réagir dans un réacteur à flux est un moyen puissant de régler la qualité des matériaux solaires sans plomb. Bien que les chiffres d'efficacité ne soient pas encore prêts à alimenter une maison, ce travail démontre une voie claire pour l'avenir : en ralentissant le processus juste assez, les scientifiques peuvent amener ces cristaux sans plomb et sûrs à former les structures de haute qualité nécessaires à la prochaine génération d'énergie solaire.
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