Absorbants pour Cellules Solaires à Base de Relaxeurs Ferroélectriques – RelaxSolaire

Les absorbeurs dans les cellules solaires doivent remplir un certain nombre d'exigences pour une haute performance: Bande interdite appropriée,
mobilité élevée des porteurs de charge et durée de vie, travail de sortie aux interfaces appropriée pour adapter le transport des charges à travers
les couches, et une conception appropriée pour la récupération de la lumière. Afin d'éviter la recombinaison des porteurs de charges, les semi-conducteurs classiques nécessitent une purification particulière des cristaux
afin de limiter les défauts ponctuels et étendus à de très faibles concentrations. Récemment, nous
avons montré que les performances exceptionnelles des nouveaux absorbeurs à base de perovskites d'halogénure
sont partiellement dues à des effets d'écrantage diélectrique. La compétition entre la formation classique des polarons à base de phonons
et l'écrantage dipolaire diélectrique permet aux porteurs de charge (électrons et trous) de se propager sur de
très longues distances dans le cristal sans formation de petits polarons (états profonds dans le bandgap)
et avec une interaction négligeable avec les défauts ponctuels existants (lacunes ou atomes étrangers).
Notre projet concerne le transfert de ce résultat à des pérovskites d'oxydes que sont les ferroélectriques relaxeurs, dans lesquels
deux mécanismes polaires indépendants existent. Les nanorégions polaires (PNR)
ainsi que l'écrantage classique de polaron de Fröhlich fournissent des mécanismes d'écrantage indépendants.
Nous escomptons que des performances photovoltaiques similaires à celles des halogénures peuvent être atteintes
avec une durée de vie et une stabilité améliorées via ces relaxeurs. Le projet vise à moduler la bande interdite des systèmes relaxeurs existants
vers l'optimum pour le spectre solaire (environ 1,3 eV). Le candidat relaxeur prometteur identifié est PbFe0.5Nb0.5O3 (PFN) qui possède une bande interdite d'environ 1,0 eV. Le polyvalence chimique des pérovskites nous permettra d'adapter le bandgap et le travail de sortie par dopage (solution solide) cationique. Cette conception simple du matériau nous permettra le développement d'une cellule solaire à base d'une hétérojonction (graduée)
contenant une couche absorbante de PFN et des couches adjacentes de PFN dopé avec des niveaux d'énergie correctement alignés,
obtenant ainsi des cellules avec une absorption efficace des photons ainsi qu'une extraction optimale des charges.
Les efforts dans la réalisation des couches minces et l'ingénierie des cellules seront continuellement accompagnés d'une étude de la structure de bande, des propriétés structurales et des dynamiques des porteurs de charge. Ainsi, d'une part, nous allons
réaliser de nouveaux développements techniques pour les cellules solaires à hétérojonction et, d'autre part, enrichir les connaissances sur les relaxeurs comme matériaux photovoltaiques, ce qui sera d'intérêt pour la grande communauté de la physique de l'état solide.
Les équipes ont acquis une expertise dans l'étude de l'effet photovoltaïque dans les matériaux pérovskites
et la fabrication de cellules solaires. Ils ont également une solide expérience dans l'étude des relaxeurs et des ferroélectriques
en général. Une collaboration étroite entre les équipes a été établie au cours des 5 dernières années mettant à disposition une multitude d'expertises complémentaires nécessaires au succès du projet: synthèse de nanoparticules, préparation de couches minces, développement de cellules solaires, caractérisation structurale,mesures de propriétés fonctionnelles à l'échelle macroscopique et locale, spectroscopie diélectrique et Raman.