Les semi-conducteurs convertissent l'énergie des photons (lumière) en un courant d'électrons. Cependant, certains photons transportent trop d'énergie pour que le matériau puisse en absorber. Ces photons produisent des « électrons chauds, " et l'énergie excédentaire de ces électrons est convertie en chaleur. Les scientifiques des matériaux ont cherché des moyens de récupérer cet excès d'énergie. Des scientifiques de l'Université de Groningen et de l'Université technologique de Nanyang (Singapour) ont maintenant montré que cela pourrait être plus facile que prévu en combinant une pérovskite avec un matériau accepteur d'électrons chauds. Leur preuve de principe a été publiée dans Avancées scientifiques le 15 novembre.

Dans les cellules photovoltaïques, les semi-conducteurs absorberont l'énergie des photons, mais uniquement à partir de photons qui ont la bonne quantité d'énergie :trop peu, et les photons traversent le matériau de part en part; trop, et l'excès d'énergie est perdu sous forme de chaleur. La bonne quantité est déterminée par la bande interdite :la différence de niveaux d'énergie entre l'orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) et l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (LUMO).

Nanoparticules

"L'excès d'énergie des électrons chauds produits par les photons de haute énergie est très rapidement absorbé par le matériau sous forme de chaleur, " explique Maxim Pshenichnikov, professeur de spectroscopie ultrarapide à l'Université de Groningue. Pour capter pleinement l'énergie des électrons chauds, des matériaux avec une plus grande bande interdite doivent être utilisés. Cependant, cela signifie que les électrons chauds doivent être transportés vers ce matériau avant de perdre leur énergie. L'approche générale actuelle pour récolter ces électrons est de ralentir la perte d'énergie, par exemple, en utilisant des nanoparticules au lieu de matériaux en vrac. « Dans ces nanoparticules, il y a moins d'options pour que les électrons libèrent l'excès d'énergie sous forme de chaleur, " explique Pchenichnikov.

Avec des collègues de l'Université technologique de Nanyang, où il a été professeur invité pendant les trois dernières années, Pshenichnikov a étudié un système dans lequel un semi-conducteur de pérovskite hybride organique-inorganique était combiné avec le composé organique bathophénanthroline (bphen), un matériau avec une large bande interdite. Les scientifiques ont utilisé la lumière laser pour exciter les électrons dans la pérovskite et ont étudié le comportement des électrons chauds générés.

Barrière

« Nous avons utilisé une méthode appelée sonde pompe-poussée pour exciter les électrons en deux étapes et les étudier à des échelles de temps femtosecondes, " explique Pshenichnikov. Cela a permis aux scientifiques de produire des électrons dans les pérovskites avec des niveaux d'énergie juste au-dessus de la bande interdite de bphen, sans exciter les électrons dans le bphen. Par conséquent, tous les électrons chauds dans ce matériau proviendraient de la pérovskite.

Les résultats ont montré que les électrons chauds du semi-conducteur pérovskite étaient facilement absorbés par le bphen. "Cela s'est produit sans qu'il soit nécessaire de ralentir ces électrons, et de plus, en vrac. Alors sans astuce, les électrons chauds ont été récoltés." Cependant, les scientifiques ont remarqué que l'énergie requise était légèrement supérieure à la bande interdite bphen. "C'était inattendu. Apparemment, une certaine énergie supplémentaire est nécessaire pour surmonter une barrière à l'interface entre les deux matériaux."

Néanmoins, l'étude fournit une preuve de principe pour la récolte d'électrons chauds dans un matériau semi-conducteur de pérovskite en vrac. Pshenichnikov dit, "Les expériences ont été réalisées avec une quantité d'énergie réaliste, comparable à la lumière visible. Le prochain défi est de construire un véritable appareil en utilisant cette combinaison de matériaux."