Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range

Depuis une demi-siècle, les scientifiques cherchent un meilleur moyen de capturer l'énergie du soleil. Bien que les panneaux solaires traditionnels à base de silicium nous aient bien servis, les chercheurs recherchent constamment des matériaux moins coûteux à fabriquer, plus faciles à produire et capables de convertir la lumière du soleil en électricité plus efficacement. Une famille de matériaux prometteuse pour cette tâche est appelée les pérovskites. Ce sont des cristaux dotés d'une structure spécifique et répétitive qui peut être ajustée pour absorber la lumière très efficacement. Cependant, les pérovskites les plus célèbres utilisées aujourd'hui contiennent du plomb, un métal toxique qui pose des risques pour la santé et l'environnement, et elles se décomposent souvent lorsqu'elles sont exposées à l'humidité ou à la chaleur. Pour résoudre ce problème, les scientifiques explorent un autre type de pérovskite composée d'éléments abondants et non toxiques, en s'intéressant spécifiquement à des composés mélangeant l'oxygène et le soufre. L'objectif est de trouver un matériau qui soit stable, sûr et doté de la capacité exacte d'absorber la lumière pour alimenter la prochaine génération de cellules solaires.

Dans une étude récente, des chercheurs de l'Université Autonome de Zacatecas, au Mexique, se sont donné pour mission de créer et de tester l'un de ces nouveaux matériaux, un cristal appelé oxysulfure de baryum et de titane. Ils ont commencé par une poudre commune et stable connue sous le nom d'oxyde de baryum et de titane et l'ont soumise à un traitement à haute température dans un four spécial. Au lieu de simplement chauffer la poudre, ils ont introduit une vapeur de disulfure de carbone, un produit chimique qui sert de source de soufre. En chauffant le mélange à trois températures différentes — 600, 700 et 800 degrés Celsius — ils visaient à remplacer certains des atomes d'oxygène du cristal par des atomes de soufre. Les chercheurs voulaient voir comment le changement de chaleur altérerait la structure interne du matériau et sa capacité à absorber la lumière, espérant trouver l'équilibre parfait pour les applications d'énergie solaire.

Les résultats ont montré que la température était la clé pour contrôler la composition du matériau. À mesure que la chaleur augmentait, la quantité de soufre dans le cristal final augmentait de manière significative. À la température la plus basse de 600 degrés Celsius, le matériau contenait environ 14,6 % de soufre en masse. Lorsque la température a été portée à 700 degrés, la teneur en soufre est montée à 18,2 %, et à la température la plus élevée de 800 degrés, elle a atteint 20,2 %. Ce changement n'était pas seulement une question d'ajout de plus de soufre ; cela modifiait fondamentalement la forme même du cristal. Le matériau de départ possédait une structure tétragonale, qui est un arrangement géométrique spécifique des atomes. À mesure que le soufre remplaçait l'oxygène, le cristal se transformait lentement en une structure hexagonale, une forme géométrique différente qui est plus stable pour ce type de composé. Les échantillons traités aux températures les plus élevées ont été les plus réussis, montrant une structure hexagonale propre et bien ordonnée, sans aucune trace de la forme originale restante.

Au-delà du simple changement de forme, le traitement thermique a amélioré la qualité des cristaux. Les chercheurs ont mesuré la taille des minuscules cristaux individuels, appelés cristallites, et ont constaté qu'ils devenaient plus grands à mesure que la température augmentait. L'échantillon fabriqué à 600 degrés présentait des cristaux plus petits et moins organisés, tandis que celui fabriqué à 800 degrés possédait des cristaux plus grands et plus parfaitement formés. Cela suggère qu'une chaleur plus élevée aide les atomes à s'organiser plus proprement, réduisant les tensions internes et créant un matériau plus fort et plus uniforme. L'équipe a également analysé les liaisons chimiques au sein du matériau à l'aide de techniques basées sur la lumière et a confirmé que les atomes de soufre et d'oxygène étaient intégrés avec succès dans le réseau cristallin, formant les liaisons moléculaires spécifiques qu'ils recherchaient.

La découverte la plus critique, cependant, concernait la façon dont le matériau interagit avec la lumière. Pour qu'une cellule solaire fonctionne efficacement, le matériau dont elle est faite doit posséder une « bande interdite » (ou gap), qui est la quantité spécifique d'énergie requise pour libérer un électron et créer un courant électrique. Si cet intervalle est trop large, le matériau manque une grande partie de l'énergie solaire ; s'il est trop étroit, il gaspille l'énergie sous forme de chaleur. La plage idéale pour les cellules solaires se situe dans une fenêtre étroite entre 1,1 et 1,7 électron volt. Les chercheurs ont découvert qu'en augmentant simplement la température et la teneur en soufre, ils pouvaient ajuster précisément cette bande interdite. Le matériau fabriqué à 600 degrés présentait une bande interdite de 1,53 électron volt. À mesure qu'ils augmentaient la chaleur à 700 puis à 800 degrés, la bande interdite se rétrécissait pour atteindre 1,51 et enfin 1,47 électron volt. Cette valeur finale se situe carrément dans la plage optimale pour la conversion de l'énergie solaire.

Cette étude démontre qu'il est possible d'élaborer un nouveau matériau solaire non toxique en contrôlant soigneusement la température lors de la synthèse. Les chercheurs ont prouvé qu'ils pouvaient transformer un oxyde commun en une pérovskite riche en soufre avec une structure cristalline et des propriétés d'absorption de la lumière hautement adaptées aux cellules solaires. Bien que le matériau ne soit pas encore un produit fini prêt pour une ligne de production, ce travail fournit une feuille de route claire sur la manière de créer ces cristaux. En montrant que des températures plus élevées entraînent plus de soufre, un meilleur ordre cristallin et une bande interdite parfaitement ajustée pour capturer la lumière du soleil, l'étude offre une voie viable pour le développement de la prochaine génération de technologies solaires propres, efficaces et sûres.