La diffusion des neutrons a révélé, en temps réel, les mécanismes fondamentaux derrière la conversion de la lumière du soleil en énergie dans les matériaux pérovskites hybrides. Une meilleure compréhension de ce comportement permettra aux fabricants de concevoir des cellules solaires avec une efficacité accrue.

L'équipe multi-institutionnelle de chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, L'Université du Hunan et l'Université du Nebraska-Lincoln ont utilisé des mesures de photoluminescence, ainsi que la diffusion des neutrons et des rayons X, étudier la relation entre la structure microscopique du matériau et ses propriétés optoélectroniques. En examinant le matériau sous divers degrés de température, les chercheurs ont pu suivre les changements structurels atomiques et établir comment la liaison hydrogène joue un rôle clé dans les performances du matériau. Leurs résultats sont publiés dans la revue Matériaux avancés .

Les pérovskites hybrides promettent d'être plus efficaces dans la conversion de la lumière en énergie que les matériaux de cellules solaires traditionnels. Ils sont également plus faciles à fabriquer car ils peuvent être coulés par centrifugation à partir d'une solution et ne nécessitent pas de chambres à vide poussé pour la synthèse.

Contrairement à leurs homologues singuliers en silicium ou en germanium, Les pérovskites hybrides sont constituées de molécules organiques et inorganiques. La structure est construite à partir de molécules inorganiques de plomb et de brome disposées en unités octaédriques qui forment des cages autour des cations organiques de méthylammonium (ions chargés positivement) constitués de carbone, l'azote et l'hydrogène.

"L'avantage d'avoir à la fois des molécules organiques et inorganiques dans une structure cristalline bien définie signifie que nous pouvons adapter le matériau en ajustant l'un ou l'autre groupe pour optimiser les propriétés, " dit Kai Xiao, chercheur au Centre des sciences des matériaux en nanophase de l'ORNL. "Mais même si les chercheurs étudient ces matériaux depuis plusieurs années, nous ne comprenons toujours pas complètement à un niveau fondamental comment les composants organiques affectent les propriétés."

Trouver la bonne combinaison et l'orientation moléculaire des composants organiques/inorganiques est la clé pour débloquer plus de fonctionnalités, mais comprendre ces interactions nécessite les bons outils.

"Les neutrons sont très bons pour cela car ils sont sensibles aux éléments plus légers comme l'hydrogène, ", a déclaré Xiaoping Wang, spécialiste des instruments ORNL. "Parce que nous sommes capables de suivre chaque neutron, nous obtenons des informations sur des choses comme où se trouvent les atomes, quelle est leur température, et comment ils se comportent."

En utilisant l'instrument TOPAZ à la source de neutrons de spallation de l'ORNL, l'équipe a pu observer les interactions de liaison hydrogène à l'échelle atomique.

L'expérience a révélé que le matériau subit des changements structurels importants entre environ 150 et 130 Kelvin (environ -190 et -225 degrés Fahrenheit). Le refroidissement du matériau a ralenti le mouvement du composant organique dans un état ordonné, dans lequel des mesures in situ précises ont été effectuées en temps réel pour observer exactement comment les molécules organiques se lient au composant plomb-brome par le biais de liaisons hydrogène.

"Nous avons vu que l'ordre est directement lié à la liaison hydrogène dans la structure, et comment tout changement peut affecter l'écart énergétique du matériau, ", a déclaré Wang. "Cela nous permet de savoir dans quelle mesure la lumière du soleil est absorbée et ce que cela pourrait signifier en termes d'applications pour les matériaux photovoltaïques."

Mesures complémentaires de photoluminescence et de diffusion des rayons X, avec la synthèse des cristaux, ont été menées au CNMS. Les calculs théoriques ont été effectués par des scientifiques de la division Science et technologie des matériaux de l'ORNL.

"Les pérovskites hybrides sont déjà un bon matériau, " a déclaré Xiao. "Maintenant que nous savons comment l'orientation des molécules organiques affecte la structure cristalline, et comment nous pouvons les affiner davantage pour modifier les propriétés souhaitées, cette nouvelle compréhension fondamentale nous permettra de concevoir de nouveaux matériaux avec un potentiel encore plus grand."