L'amélioration de l'efficacité des cellules solaires nécessite des matériaux exempts d'impuretés et de défauts structurels. Les scientifiques de nombreuses disciplines du KAUST ont montré que les matériaux hybrides organiques-inorganiques 2D présentent beaucoup moins de défauts que les versions 3D plus épaisses.

L'électronique moderne repose sur des technologies capables de développer des cristaux de silicium presque parfaits; impeccable au niveau atomique. Ceci est crucial car les défauts et les impuretés dispersent les électrons lorsqu'ils circulent, ce qui affecte négativement les propriétés électroniques du matériau.

Mais des pérovskites hybrides, une classe passionnante de matériel électronique, ne peut pas être construit en utilisant les méthodes d'épitaxie ou de couche développées pour le silicium. Au lieu, ils sont produits à l'aide de processus basés sur des solutions. Bien que cela les rend moins chers que le silicium, cela rend également la pureté beaucoup plus difficile à atteindre car la population de défauts et les espèces sont sensibles aux conditions de traitement.

Osman Bakr du KAUST Solar Center avec des collègues de plusieurs divisions de KAUST et de l'Université de Toronto, démontrent que les couches bidimensionnelles de matériau pérovskite peuvent atteindre des niveaux de pureté beaucoup plus élevés que ce qui est possible dans leur homologue 3-D. "Les pérovskites hybrides bidimensionnelles sont un sous-groupe de la grande famille des pérovskites hybrides, " explique Wei Peng, auteur principal et titulaire d'un doctorat du laboratoire de Bakr. "Ils peuvent être dérivés en insérant de gros cations organiques dans des structures de pérovskite tridimensionnelles."

Les pérovskites hybrides sont constituées d'atomes de plomb et d'halogénure (comme l'iode) et d'un composant organique. Cette classe de matériaux dans les cellules solaires a déjà montré un potentiel révolutionnaire pour l'efficacité de conversion d'énergie tout en ayant de faibles coûts de production et la possibilité d'être intégré dans des dispositifs flexibles. Cette combinaison de qualités fait des pérovskites hybrides un matériau passionnant pour les applications optoélectroniques.

Peng, Bakr et ses collègues ont créé un matériau 2-D composé de couches périodiques de pérovskites hybrides avec un composant organique de phénéthylammonium ou de méthylammonium. En utilisant une méthode de fabrication basée sur des solutions, les couches ont été placées sur une électrode en or afin que l'équipe puisse mesurer la conductivité électrique.

Leurs mesures indiquent que les matériaux 2-D contenaient trois ordres de grandeur de moins de défauts que les pérovskites hybrides en vrac. L'équipe propose que cette réduction soit due au fait que les gros cations organiques dans le phénéthylammonium suppriment la formation de défauts pendant la cristallisation.

Prochain, l'équipe a démontré le potentiel de leurs matériaux pour des applications optoélectroniques en construisant des photoconducteurs à haute détectivité lumineuse. Ces résultats sont de bon augure pour de nouvelles avancées dans la conception et l'optimisation des cellules solaires à pérovskite. "Une future étude approfondie sur la manière dont la formation de défauts est supprimée nous aidera à comprendre et à bénéficier à l'ingénierie des matériaux ciblée sur les performances des dispositifs, " dit Peng.