Remplacement du deutérium par l'hydrogène

Le remplacement du deutérium par l’hydrogène alourdit le méthylammonium et ralentit son balancement afin qu’il puisse interagir avec les vibrations qui éliminent la chaleur, maintenant les porteurs de charge chauds plus longtemps. Crédit: Jill Hemman / ORNL, Département américain de l’énergie

Dirigée par le Oak Ridge National Laboratory du Département de l’énergie et l’Université du Tennessee à Knoxville, une étude sur un matériau à énergie solaire au futur radieux a révélé un moyen de ralentir les phonons, les ondes qui transportent la chaleur. La découverte pourrait améliorer les nouvelles cellules solaires porteuses chaudes, qui convertissent la lumière du soleil en électricité plus efficacement que les cellules solaires conventionnelles en exploitant des porteurs de charge photogénérés avant qu’ils ne perdent de l’énergie en chaleur.

«Nous avons montré que le transport thermique et le temps de refroidissement des porteurs de charge peuvent être manipulés en changeant la masse des atomes d’hydrogène dans un matériau photovoltaïque», a déclaré Michael Manley de ORNL. «Cette voie pour prolonger la durée de vie des porteurs de charge met à nu de nouvelles stratégies pour atteindre une efficacité de conversion solaire-électrique record dans de nouvelles cellules solaires à porteurs chauds.

Mahshid Ahmadi de l’UT a noté: «Le réglage de la dynamique des molécules organiques peut permettre le contrôle des phonons importants pour la conductivité thermique dans les pérovskites organométalliques.» Ces matériaux semi-conducteurs sont prometteurs pour les applications photovoltaïques.

Manley et Ahmadi ont conçu et géré l’étude, publiée dans Progrès scientifiques. Des experts en synthèse de matériaux, en diffusion de neutrons, en spectroscopie laser et en théorie de la matière condensée ont découvert un moyen d’inhiber le refroidissement de charge inutile en remplaçant un isotope plus léger par un isotope plus lourd dans une pérovskite organométallique.

Lorsque la lumière du soleil frappe une cellule solaire, les photons créent des porteurs de charge – des électrons et des trous – dans un matériau absorbant. Les cellules solaires porteuses chaudes convertissent rapidement l’énergie des porteurs de charge en électricité avant qu’elle ne soit perdue sous forme de chaleur perdue. La prévention de la perte de chaleur est un défi majeur pour ces cellules solaires, qui ont le potentiel d’être deux fois plus efficaces que les cellules solaires conventionnelles.

L’efficacité de conversion des cellules solaires à pérovskite conventionnelles est passée de 3% en 2009 à plus de 25% en 2020. Un dispositif porteur bien conçu pourrait atteindre un rendement de conversion théorique approchant 66%.

Les chercheurs ont étudié l’iodure de plomb de méthylammonium, un matériau absorbant la pérovskite. Dans son réseau, les excitations collectives des atomes créent des vibrations. Les vibrations se déplaçant en synchronisation les unes avec les autres sont des phonons acoustiques, tandis que celles qui se désynchronisent sont des phonons optiques.

«En règle générale, les porteurs de charge perdent d’abord leur chaleur au profit des phonons optiques, qui se propagent plus lentement que les phonons acoustiques», explique Raphael Hermann, co-auteur de l’ORNL. «Plus tard, les phonons optiques interagissent avec les phonons acoustiques qui emportent cette énergie.»

Cependant, dans une région appelée «goulot d’étranglement des phonons chauds», la physique exotique empêche les électrons de perdre leur énergie au profit des vibrations collectives qui transportent la chaleur. Pour renforcer cet effet dans une pérovskite photovoltaïque, les chercheurs ont utilisé l’inertie, la tendance d’un objet à continuer à faire ce qu’il fait, que ce soit au repos ou en mouvement.

«Nous avons essentiellement ralenti la vitesse à laquelle les molécules peuvent se balancer, comme pour ralentir un patineur en rotation en mettant des poids dans ses mains», a déclaré Hermann.

Pour ce faire, dans un réseau atomique ordonné, Ahmadi et Kunlun Hong de l’ORNL ont dirigé la synthèse de cristaux d’iodure de plomb de méthylammonium au Center for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisateur du DOE Office of Science de l’ORNL. Ils ont remplacé un isotope plus léger de l’hydrogène, le protium naturel, qui n’a pas de neutrons, par un isotope plus lourd, le deutérium, qui a un neutron, dans la molécule organique centrale de la pérovskite, le méthylammonium ou MA. Les isotopes sont des atomes chimiquement identiques qui ne diffèrent que par leur masse en raison de la différence du nombre de neutrons.

Ensuite, Manley et Hermann, avec Songxue Chi d’ORNL, ont mené des expériences de diffusion de neutrons sur trois axes au High Flux Isotope Reactor, une installation utilisateur du DOE Office of Science de l’ORNL, pour cartographier la dispersion des phonons dans les cristaux protonés et deutérés. Comme ils ont vu un désaccord entre leurs mesures et les données publiées à partir de mesures de rayons X inélastiques, ils ont effectué des mesures supplémentaires à la Spallation Neutron Source, une autre installation utilisateur du DOE Office of Science de l’ORNL. Là, Luke Daemen de ORNL a utilisé le spectromètre vibrationnel VISION pour révéler toutes les énergies vibrationnelles possibles. Les résultats combinés ont indiqué que les modes acoustiques longitudinaux à courtes longueurs d’onde se propagent plus lentement dans l’échantillon deutéré, suggérant que la conductivité thermique peut être réduite.

Hsin Wang de l’ORNL a effectué des mesures de diffusivité thermique pour étudier comment la chaleur se déplaçait dans les cristaux. «Ces mesures nous ont dit que la deutération réduisait la conductivité thermique déjà faible de 50%», a déclaré Manley. «Nous avons alors réalisé que cette découverte affectait peut-être des choses qui intéressent les constructeurs d’appareils solaires, en particulier le maintien au chaud des porteurs de charge.

L’étude a fourni une compréhension sans précédent de l’effet de l’augmentation de la masse atomique sur le transfert de chaleur.

“De nombreuses vibrations, comme les modes d’étirement pour les atomes d’hydrogène, ont des fréquences si élevées qu’elles n’interagissent normalement pas avec les vibrations à faible énergie du cristal”, a déclaré Daemen. Les modes à plus faible énergie incluent le balancement des molécules.

La fréquence de balancement de la molécule organique MA est un peu plus élevée que la fréquence des vibrations collectives. Cependant, lorsqu’un deutérium atome remplace un isotope d’hydrogène plus léger, sa plus grande masse ralentit le balancement de MA. Il oscille à une fréquence plus proche de celle des vibrations collectives, et les deux commencent à interagir puis à se coupler fortement. Les phonons synchronisés ralentissent, devenant moins efficaces pour éliminer la chaleur.

Hermann a comparé l’influence de la fréquence aux différentes actions d’un garçon lorsque son père le pousse sur une balançoire. «Le cas protoné est comme le garçon bougeant ses jambes trop vite pour être synchronisé avec le père qui pousse. Il n’ira pas plus haut. Mais s’il commence à bouger ses jambes à peu près à la même fréquence que le balancement, c’est comme le cas deutéré. L’enfant a juste assez ralenti ses jambes pour qu’il commence à se synchroniser avec le swing poussé, ajoutant de l’élan. Il est capable de se balancer plus haut car les deux mouvements sont couplés.

Les mesures ORNL ont révélé un effet qui dépassait de loin ce que l’on attendait de la modification de la masse de l’hydrogène: la deutération a tellement ralenti le transport de chaleur que le temps de refroidissement du porteur de charge a doublé.

Pour confirmer cette découverte, le co-auteur de l’ORNL, Chengyun Hua, a utilisé des expériences laser pompe-sonde pour mesurer la dissipation d’énergie des électrons dans les pérovskites deutérés et protonés sur des échelles de temps minuscules, quadrillionièmes de seconde.

«Ces mesures ont confirmé que les changements géants des phonons et de la conductivité thermique induits par l’isotope lourd se traduisent par un temps de relaxation plus lent pour les électrons photo-excités», a déclaré Hua. «C’est un facteur important dans l’amélioration des propriétés photovoltaïques.»

Université de Californie, Berkeley, les co-auteurs Yao Cai et Mark Asta, qui travaille également au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE, ont effectué des calculs basés sur la théorie pour donner un aperçu des complexités du comportement des phonons.

La découverte faite dans le cadre de l’étude menée par ORNL – UT pourrait fournir un point positif pour les futurs fabricants de cellules solaires porteuses chaudes.

“Les phonons ressemblent à un bouton assez efficace pour tourner, et nous savons comment tourner le bouton”, a déclaré Manley. «Lorsque vous souhaitez améliorer les matériaux, vous pouvez ajouter une molécule, du méthylammonium ou autre chose. Cette découverte peut éclairer les décisions des développeurs sur la manière dont ils cultivent leurs cristaux. »

Ahmadi a ajouté: «Ces connaissances peuvent être utilisées pour guider la conception de matériaux pour des applications au-delà du photovoltaïque, telles que les capteurs optiques et les dispositifs de communication.»

Le titre de l’article est «Effet isotopique géant sur la dispersion des phonons et la conductivité thermique dans l’iodure de plomb de méthylammonium».

Référence: «Effet isotopique géant sur la dispersion des phonons et la conductivité thermique dans l’iodure de plomb de méthylammonium» par ME Manley, K. Hong, P. Yin, S. Chi, Y. Cai, C. Hua, LL Daemen, RP Hermann, H. Wang , AF May, M. Asta et M. Ahmadi, 31 juillet 2020, Progrès scientifiques.
DOI: 10.1126 / sciadv.aaz1842

Le Bureau des sciences du DOE, le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE et le Département américain de la sécurité intérieure ont soutenu la recherche.