Des pistes pour améliorer les propriétés des semiconducteurs pérovskites
Les pérovskites halogénées sont une nouvelle classe de semiconducteurs très prometteurs pour des applications optoélectroniques à bas coût. Des chercheurs de l'Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR) et de l'Institut Fonctions optiques pour les technologies de l'information (FOTON)1 ont exploré les mécanismes responsables de leurs caractéristiques remarquables, dans la perspective d'améliorer leurs propriétés. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Materials.
- 1En collaboration avec : Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Rice University, Houston (États-Unis) Division of Materials Physics and Application, Los Alamos National Laboratory
Les matériaux pérovskites halogénées sont dotés de propriétés semiconductrices qui ouvrent la voie à une nouvelle génération de cellules photovoltaïques. En 2017, le rendement maximal obtenu en laboratoire, 22,7%, était déjà légèrement supérieur à celui des cellules en silicium polycristallin, et des meilleures cellules en couches minces actuelles (CIGS, CdTe, etc.). De plus, les pérovskites halogénées peuvent être fabriquées à basse température, en solution, ce qui permet de réaliser des dispositifs à bas coût. Cette nouvelle classe de semiconducteurs est prometteuse pour de multiples dispositifs optoélectroniques (diodes électroluminescentes, photodétecteurs, lasers, etc.). Pour progresser vers les applications, les chercheurs ont besoin de mieux comprendre les mécanismes microscopiques responsables des propriétés des pérovskites halogénées. C'est l'objectif de l'étude réalisée par une équipe de l'Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR, CNRS/Université de Rennes 1) et de l'Institut Fonctions optiques pour les technologies de l'information (Institut FOTON, CNRS/Insa/Université de Rennes 1).
Les chercheurs se sont intéressés à des phénomènes spécifiques des pérovskites halogénées : les fluctuations structurales aléatoires de leur réseau cristallin, et leur impact sur les propriétés optoélectroniques du matériau, notamment la mobilité des porteurs de charges. Les pérovskites halogénées hybrides sont des composés ioniques qui associent un cation organique (CH3NH3+, CH(NH2)2+, etc.) et un halogénure métallique, pour donner par exemple le composé CH3NH3PbI3. Dans ce type de structure, les ions organiques et les ions halogénures sont affectés de mouvements désordonnés qui limitent les propriétés optoélectroniques du matériau. En se basant sur un modèle de mécanisme de fluctuations dipolaires (les dipôles électriques induits par les mouvements des ions), les chercheurs ont pu ainsi calculer l'impact de ces phénomènes sur la mobilité des porteurs de charges. Ils ont montré que l'impact du mouvement désordonné des halogénures était supérieur à celui des cations organiques. La mobilité ainsi calculée est bien du même ordre de grandeur que celle que l'on mesure dans ces matériaux2
. Parmi les pistes étudiées pour réduire les fluctuations structurales dans les pérovskites halogénées, l'une consiste à rendre ces matériaux plus rigides, en remplaçant la molécule organique par un cation inorganique. Des études sont par exemple menées sur CsPbI3. Par ailleurs, des méthodes d'ingénierie chimique s'efforcent, en utilisant des alliages (I-Br, Pb-Sn), d'éviter des transitions de phase afin de limiter les distorsions structurales.
Références :
Entropy in halide perovskites,
C. Katan, A. D. Mohite, J. Even
Nature Materials, Vol 17, 377 - 384, (mai 2018)
DOI: 10.1038/s41563-018-0070-0
- 2D'autres phénomènes potentiellement limitent la mobilité des porteurs de charges dans les pérovskites halogénées: la formation de polarons et l'effet Rashba, tous deux liés à la forte ionicité de leur réseau cristallin.