Dans les couches ultrafines, les chercheurs du NREL trouvent un chemin vers de meilleurs matériaux

Une structure cristalline inattendue explique le mécanisme du traitement des cellules solaires utilisé depuis longtemps et laisse entendre que d’autres découvertes de matériaux attendent

Depuis plus de trois décennies, les chercheurs en photovoltaïque savent que l’ajout d’un seul produit chimique – le chlorure de cadmium – crée des cellules solaires au tellurure de cadmium (CdTe) plus performantes. Mais ils n’ont pas compris exactement pourquoi – jusqu’à présent. La réponse a des implications pour la science des matériaux qui vont bien au-delà des cellules solaires.

Les couches absorbant la lumière des cellules solaires CdTe sont composées d’un mince film de matériau, environ 10 à 100 fois plus fin qu’un cheveu humain. De nombreux appareils modernes, des cellules solaires aux matériaux catalytiques en passant par les téléviseurs à diodes électroluminescentes organiques, reposent sur des matériaux à couches minces. Les surfaces sur lesquelles ces couches minces se rencontrent, ou s’interfacent, sont encore plus fines – 100 000 fois plus fines qu’un cheveu humain – et jouent un rôle crucial dans les fonctions des appareils. Une meilleure compréhension des interfaces à couches minces pourrait améliorer la façon dont nous fabriquons de nombreux matériaux différents, mais la structure précise des interfaces à l’échelle atomique est souvent difficile à étudier.

Un coup de pouce éprouvé, mais inexpliqué, pour les cellules solaires

Dans les cellules solaires CdTe, les charges électriques créées par un photon absorbé peuvent être piégées et perdues aux interfaces entre la couche absorbant la lumière et les couches qui transportent ces charges dans les circuits électriques. Dès les années 1980, les chercheurs de CdTe ont réalisé que traiter les interfaces de la cellule solaire avec une petite quantité de chlorure de cadmium (CdCl2) pouvait réduire la perte de charges aux interfaces et améliorer l’efficacité de conversion de puissance de la cellule solaire.

De toute évidence, l’ajout de CdCl2 a modifié l’interface de manière cruciale. Mais d’autres expériences n’ont pas pu résoudre la structure de l’interface jusqu’au niveau atomique pour expliquer pourquoi le traitement au CdCl2 était si efficace. Ce défi n’est pas propre aux cellules solaires CdTe. Les interfaces sont notoirement difficiles à étudier et à comprendre au niveau atomique, en particulier dans les cas d’interfaces non idéales entre des matériaux ayant des structures cristallines différentes.

La modélisation offre de nouvelles perspectives sur les interfaces

Une nouvelle approche d’une équipe de chercheurs et de collègues du National Renewable Energy Laboratory (NREL) de l’Université Khalifa, de la Bowling Green State University et de First Solar – un fabricant solaire américain CdTe – a dévoilé les détails du traitement de l’interface CdCl2. En modélisant le comportement d’atomes et d’électrons individuels, l’équipe a simulé des arrangements possibles pour les interfaces traitées au CdCl2.

Pour calculer la structure électronique d’une cellule solaire CdTe – et ainsi déterminer sa collecte de charge – les chercheurs devaient d’abord déterminer l’interface de l’arrangement atomique CdCl2, ce qui n’avait jamais été fait auparavant pour les cellules solaires CdTe. Pour y parvenir, l’équipe a implémenté un algorithme de prédiction de structure pour les interfaces. L’algorithme a commencé par un arrangement aléatoire d’atomes, puis leur a permis de se déposer, en utilisant une méthode appelée théorie de la fonctionnelle de la densité pour calculer les forces atomiques. L’algorithme a apporté à plusieurs reprises des changements petits mais réalistes aux positions des atomes à l’interface, ce qui a permis à l’équipe d’identifier les structures à plus faible énergie (les plus stables).

Les chercheurs ont déterminé l’arrangement le plus stable des atomes de cadmium et de chlore à l’interface des cristaux d’oxyde d’étain (SnO2) et de CdTe grâce à un algorithme de prédiction de structure. L’algorithme a généré des arrangements aléatoires initiaux d’atomes à l’interface (à gauche), puis a mis à jour ces arrangements plusieurs fois et leur a permis de se détendre jusqu’à leur arrangement le plus stable (à droite). Cela a révélé que CdCl2 dans l’interface suppose un arrangement unique que l’on ne trouve pas dans les cristaux plus gros du matériau. Cette structure atomique spécifique à l’interface explique comment le traitement CdCl2 améliore les performances des cellules solaires CdTe. https://www.nrel.gov/news/program/2023/in-ultrathin-layers-nrel-researchers-find-a-path-to-better-materials.html

« Ce qui nous a surpris, c’est que le CdCl2 qui s’est formé à l’interface a pris une structure différente de celle qu’il aurait en tant que matériau en vrac », a déclaré Stephan Lany, scientifique en matériaux informatiques au NREL et auteur de l’article. « Il forme une structure 2D qui correspond aux deux côtés de l’interface, avec des conditions aux limites différentes de celles lorsqu’il se forme tout seul. Cela signifie que des matériaux et des structures que nous ne connaissons pas ou auxquels nous ne nous attendons pas peuvent également exister pour d’autres interfaces.

Les conclusions, publiées dans Examens de physique appliquée, expliquez comment le traitement au CdCl2 produit des cellules solaires CdTe plus performantes. En se connectant en douceur à la structure cristalline de chaque côté de l’interface, CdCl2 réduit les défauts de la structure cristalline qui piègent les charges et réduisent la sortie des cellules solaires. Une telle compréhension devrait contribuer à de nouvelles améliorations des cellules solaires CdTe.

De nouvelles informations suggèrent d’autres découvertes en attente

Mais Lany et ses collègues chercheurs sont plus enthousiasmés par les implications plus larges de leurs découvertes. La structure CdCl2 modélisée à l’interface n’existe pas dans les cristaux massifs plus gros du matériau. La couche d’interface ultrafine permet à une forme jusqu’alors inconnue du matériau d’exister avec des propriétés uniques. Cela pourrait-il être vrai pour d’autres matériaux?

« Je suis très excité par la réalisation que les matériaux font quelque chose de différent lorsqu’ils existent sous forme de couches atomiquement minces sur ou entre d’autres matériaux que lorsqu’ils sont en masse », a déclaré Lany. « Par exemple, de fines couches fonctionnelles au-dessus d’un substrat peuvent assumer des structures cristallines bidimensionnelles uniques avec des propriétés différentes de celles du matériau en vrac. Cela pourrait leur donner de nouvelles fonctionnalités, par exemple en catalyse.

Les chercheurs du NREL prévoient de continuer à étudier le comportement des matériaux aux interfaces. Les applications potentielles s’étendent au-delà du photovoltaïque, aux matériaux catalytiques, à la microélectronique, à l’électrochimie (comme la séparation de l’eau souvent utilisée pour fabriquer de l’hydrogène) et aux matériaux détecteurs.

« Alors que les dispositifs à semi-conducteurs reposent de plus en plus sur l’intégration de différents matériaux à travers les interfaces, cette capacité accrue à modéliser et à ajuster leurs structures nous permettra de les concevoir plus intentionnellement pour de meilleures performances », a déclaré Kirstin Alberi, directrice du Materials Science Center au NREL. « De telles informations pourraient ouvrir des portes pour l’utilisation d’une gamme de matériaux plus large que ce que l’on pensait pratique auparavant. »

La recherche a été financée par le bureau des technologies de l’énergie solaire du département américain de l’énergie.

Lire l’article complet sur Applied Physics Review.

En savoir plus sur la science des interfaces et des surfaces de NREL

Publié à l’origine par le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL).

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