En combinant des mesures avancées de spectroscopie de rayons X avec des calculs basés sur la théorie fondamentale des « premiers principes », les chercheurs ont obtenu une vue à l'échelle atomique des pérovskites aux halogénures organo-plombés difficilement réalisables avec la technologie actuelle.

L'approche qu'ils adoptent fonctionne bien avec des matériaux structurellement désordonnés comme les pérovskites aux halogénures, qui ont suscité un vif intérêt dans l'industrie des cellules solaires en raison de l'augmentation rapide de leur efficacité photovoltaïque au cours des dernières années. Comprendre la structure des pérovskites aidera les chercheurs à déterminer comment maximiser l'efficacité solaire du matériau.

Halogénures, tels que l'iodure ou le bromure, sont mélangés à différents rapports pour ajuster les propriétés du matériau, comme les bandes interdites, qui déterminent l'efficacité d'absorption solaire. Mais cela crée du désordre dans la structure, rendant difficile l'utilisation des méthodes d'imagerie traditionnelles.

"La plupart des techniques d'imagerie ne peuvent pas résoudre une grande partie de la structure désordonnée, " a déclaré Walter Drisdell, membre du personnel scientifique de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab. "Spectroscopie d'absorption des rayons X, avec détection haute résolution, fonctionne parce qu'il examine la structure très locale et l'environnement chimique autour des centres de plomb sans interférence de désordre à plus longue distance. »

Les chercheurs ont utilisé une technique avancée de spectroscopie à rayons X à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du DOE. Ils ont couplé leurs résultats avec des travaux théoriques menés à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, où ils ont interprété les données pour comprendre les détails structurels des matériaux.

"En couplant à nos calculs de premiers principes, nous avons appris que les mouvements thermiques, en particulier les inclinaisons des octaèdres aux halogénures de plomb, sont vraiment importants dans ces matériaux, " a déclaré Drisdell. " Les inclinaisons augmentent considérablement la bande interdite par rapport à ce que nous prédisons pour une structure ordonnée. Avant ça, on savait peu de choses sur la structure locale de ces matériaux mixtes, et comment cette structure affecte les propriétés à grande échelle qui sont importantes pour les appareils solaires efficaces. Nous pensons que ce travail est une étape importante qui permet des avancées significatives dans la compréhension des matériaux photovoltaïques pérovskites. »

Ce travail, financé par le Centre commun pour la photosynthèse artificielle, éclaire la structure chimique et la dynamique des matériaux photovoltaïques, et pourrait conduire à des conceptions améliorées qui maximisent la conversion de l'énergie solaire. JCAP est un pôle d'innovation énergétique soutenu par le Bureau de