Les pérovskites hybrides sont des matériaux d'une efficacité spectaculaire pour le photovoltaïque. Quelques années seulement après la fabrication des premières cellules solaires, ils ont déjà atteint des rendements de conversion solaire supérieurs à 22 %. De façon intéressante, les mécanismes fondamentaux à l'origine de cette haute efficacité font encore l'objet d'un vif débat.

Une compréhension approfondie de ces mécanismes est essentielle pour permettre de nouvelles améliorations, et les études informatiques menées à l'aide du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Laboratory ont produit de nouvelles connaissances essentielles. Le groupe de Chris Van de Walle à l'Université de Californie, Santa Barbara (UCSB) a rapporté ces avancées dans deux articles récents :X. Zhang, J.-X. Shen, W. Wang, et C.G. Van de Walle, ACS Energy . 3, 2329 (2018) et J.-X. Shen, X. Zhang, S. Das, E. Kioupakis, et C.G. Van de Walle, Av. Énergie Maternelle . 8, 1801027 (2018).

Les pérovskites hybrides sont un groupe de matériaux qui combinent des molécules organiques avec une structure inorganique dans une structure en réseau de pérovskites. Un certain nombre de groupes de recherche ont précédemment attribué la haute efficacité des pérovskites hybrides à une bande interdite indirecte provenant d'un fort couplage spin-orbite. Il a été soutenu que la nature indirecte de l'espace supprime la recombinaison radiative entre les électrons et les trous et minimise ainsi la recombinaison de porteurs indésirables. Postdoctorant UCSB Xie Zhang et Ph.D. l'étudiant Jimmy-Xuan Shen (qui a depuis obtenu son diplôme) a démontré que cela était incorrect en développant un approche des premiers principes pour déterminer avec précision la texture de spin des bords de bande et calculer quantitativement les taux de recombinaison radiative. Pour l'iodure de plomb méthylammonium (le prototype de pérovskite hybride communément appelé MAPI), ils ont découvert que la recombinaison radiative est en fait aussi forte que dans les semi-conducteurs conventionnels à ouverture directe.

"Ce résultat devrait mettre fin aux tentatives malavisées d'analyser et de concevoir des caractéristiques d'appareils basées sur des hypothèses erronées sur le taux de recombinaison, " dit Zhang.

Une forte recombinaison radiative signifie que ces matériaux sont également utiles pour les applications de diodes électroluminescentes (DEL). Cependant, les densités de courant dans les LED sont beaucoup plus élevées que dans les cellules solaires, et à des concentrations élevées de porteurs, les processus de recombinaison non radiative peuvent devenir préjudiciables. De telles pertes non radiatives ont été observées, mais expérimentalement, il n'est pas possible d'identifier les origines microscopiques. Shen et Zhang se sont appuyés sur l'expertise du groupe Van de Walle pour calculer avec précision le taux de recombinaison à partir des premiers principes. Ils ont également réussi à lier précisément le taux aux caractéristiques de la structure électronique.

"La recombinaison Auger est un processus dans lequel deux porteurs se recombinent à travers la bande interdite et l'excès d'énergie est transféré à un troisième porteur, " a expliqué Shen. " Nous avons constaté que le coefficient Auger dans MAPI est étonnamment grand :deux ordres de grandeur plus grand que dans d'autres semi-conducteurs avec des bandes interdites comparables. "

Les chercheurs ont identifié deux caractéristiques distinctes du matériau qui en sont responsables :une résonance entre la bande interdite et la scission induite par spin-orbite des bandes de conduction, et la présence de distorsions structurelles qui favorisent le processus Auger.

"Ces calculs sont extrêmement exigeants, et la puissance de calcul fournie par le NERSC a joué un rôle déterminant dans l'obtention de ces résultats, " a commenté Van de Walle. " Nous avons pu démontrer que les pertes Auger peuvent être supprimées si les distorsions du réseau sont réduites, et nous proposons des approches spécifiques pour y parvenir dans des matériaux réels."