Dans la quête de concevoir des cellules solaires et des diodes électroluminescentes (LED) plus efficaces, une équipe d'ingénieurs a analysé différents types de défauts dans le matériau semi-conducteur, ce qui permet à ces dispositifs de déterminer si et comment ils affectent les performances.

Rohan Mishra, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis, a dirigé une vaste équipe de chercheurs, dont l'Université de Washington, au Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee et à l'Université du Missouri-Columbia, qui ont étudié la structure et les propriétés des défauts planaires courants à l'échelle atomique, qui ne s'étend que sur quelques dixièmes de nanomètres.

L'équipe de Mishra a étudié les pérovskites aux halogénures de plomb, une nouvelle classe de semi-conducteurs haute performance qui sont explorés pour la prochaine génération de cellules solaires à faible coût pour permettre la conversion de l'énergie solaire en électricité avec un rendement élevé.

Lorsque ces matériaux sont fabriqués, des défauts peuvent se produire là où différents cristaux se rencontrent, connu sous le nom de joints de grains. Dans les semi-conducteurs conventionnels, ces défauts peuvent diminuer leur conductivité électrique et le rendement de conversion de l'énergie solaire en électricité; cependant, dans les pérovskites aux halogénures de plomb, il existe différents rapports expérimentaux sur l'activité des joints de grains. Dans certains cas, ils sont jugés nocifs, alors que dans d'autres cas, ils n'ont aucun impact sur les performances ou sont même bénéfiques. Mais, à ce jour, personne n'a compris pourquoi. L'équipe de Mishra a expliqué pourquoi dans Matériaux avancés , 3 décembre.

"Un petit défaut à l'échelle atomique a un grand impact sur la cellule solaire, " dit Mishra. " Si un atome spécifique manque à ces joints de grains, votre portable ne fonctionnera pas bien."

Au laboratoire national d'Oak Ridge, Arashdeep Singh Thind, un doctorant à l'Institute of Materials Science &Engineering de l'Université de Washington qui travaille dans le laboratoire de Mishra, effectué l'imagerie avec l'un des microscopes électroniques les plus puissants pour examiner la structure atomique des joints de grains. Guangfu Luo, un ancien chercheur du laboratoire de Mishra qui est professeur adjoint à l'Université des sciences et technologies du Sud à Shenzen, Chine, ont ensuite utilisé des calculs de mécanique quantique effectués sur certains des superordinateurs les plus rapides pour comprendre les propriétés électroniques de ces joints de grains.

Dans les semi-conducteurs au silicium, les joints de grains font des ravages, mais dans les pérovskites aux halogénures de plomb, ils ne peuvent pas. Et cela dépend de la concentration des ions halogénures, un élément critique des propriétés.

"Si vous faites pousser les cristaux dans un environnement pauvre en halogénures, alors les joints de grains sont terribles pour les performances, " a dit Mishra. " Mais si vous pouvez les cultiver ou les recuire [chauffer et recombiner] dans une atmosphère riche en halogénures, les joints de grains sont bons."

Thind a également examiné un autre type de faille plane connue sous le nom de failles de Ruddlesden-Popper, dans lequel les plans de cristaux s'empilent incorrectement ; par exemple, au lieu d'être alignés en rangées ordonnées, l'une des lignes est légèrement décalée à gauche ou à droite d'une colonne atomique. De nouveau, en utilisant des calculs de mécanique quantique, Luo et Mishra ont découvert qu'en ayant une grande densité de tels défauts d'empilement, il pourrait être possible d'obtenir une émission optique brillante à partir de nanoparticules grandes et plus stables de certaines pérovskites aux halogénures de plomb, ce qui pourrait potentiellement ouvrir la voie à des LED avec une durée de vie plus longue.

"Le défi pour les expérimentateurs est de concevoir des défauts d'empilement à des distances périodiques, " dit Mishra.

Dans une recherche connexe publiée dans ACS Applied Nano Materials le 16 octobre, L'équipe de Mishra a travaillé avec des chercheurs de l'Université du Missouri-Columbia, qui ont trouvé une nouvelle voie chimique pour favoriser la croissance des pérovskites aux halogénures de plomb avec une densité élevée de tels défauts d'empilement. En éliminant les ligands de surface, un ion ou une molécule qui se lie à un atome de surface d'un nanocristal, de plus petits nanocristaux de pérovskite aux halogénures de plomb ont fusionné et sont passés d'environ 8 nanomètres à 60 nanomètres en 48 heures.

Ces nouveaux nanocristaux avaient des propriétés optiques considérablement améliorées en raison des défauts d'empilement formés pendant le processus de fusion, que Thind a trouvé en utilisant la microscopie électronique à transmission à résolution atomique. En outre, les nanocristaux étaient plus stables lorsqu'ils étaient exposés à la lumière, avait des raies d'émission plus nettes et un rendement quantique plus élevé. Avec ces défauts, les nouveaux nanocristaux devraient améliorer les propriétés d'émission de lumière des nanocristaux de pérovskite aux halogénures de plomb, résultant en de meilleures LED et autres dispositifs optoélectroniques.

Ces nouvelles informations donnent aux ingénieurs tels que Mishra et Thind plus d'informations pour trouver des alternatives au plomb dans les cellules solaires, qui contiennent non seulement du plomb toxique, mais sont également instables à la lumière, l'humidité et la chaleur et se décomposent en quelques jours, fuite de plomb dans les eaux souterraines. Mishra étudie si un élément non toxique - le bismuth, voisin du plomb sur le tableau périodique - est un substitut plus sûr et tout aussi efficace du plomb dans les pérovskites.