Crédit :Université de technologie d'Eindhoven
Les pérovskites aux halogénures métalliques forment une classe populaire de matériaux aux propriétés optoélectroniques intrigantes. Une compréhension fondamentale des variations des positions des niveaux d'énergie, en fonction de la composition des matériaux, est manquant, toutefois. Des chercheurs de la TU/e et de l'Université de Cologne ont développé une nouvelle méthodologie pour déterminer les positions absolues des niveaux d'énergie de toutes les pérovskites primaires, et expliquer les variations de ces positions.
La classe de matériaux des pérovskites aux halogénures (AMX3, où A est un cation alcalin, ou un cation organique, comme la méthylamine (MA) ou la formamidine (FA); B est le plomb ou l'étain ; X est un halogénure) a récemment attiré une énorme attention dans la communauté scientifique, en raison des percées dans l'optoélectronique pérovskite, principalement dans le photovoltaïque et les LED. En échangeant ou en mélangeant différents ions dans le cristal de pérovskite, il est possible de régler le gap optique de ces semi-conducteurs, permettant un chevauchement optimal avec le spectre solaire en absorption ou une longueur d'onde d'émission accordable. Les changements dans les bandes interdites sont bien caractérisés. Cependant, l'origine physique sous-jacente de ces changements, les décalages des positions du maximum de la bande de valence (VBM) et du minimum de la bande de conduction (CBM), sont inconnus. Connaître ces positions est également crucial pour concevoir des couches de contact qui peuvent injecter/extraire efficacement des porteurs de charge dans/de ces pérovskites, comme cela est requis dans les dispositifs optoélectroniques, ou pour concevoir des dispositifs à hétérojonction multicouches avec des décalages de bande appropriés entre les couches.
"Nous étions intéressés à comprendre l'interaction complexe de quelques facteurs subtils mais corrélés lors de la combinaison de différents types d'ions dans la structure cristalline de la pérovskite, " explique Shuxia Tao, Aide. Professeur du Center of Computational Energy Research (CCER) de physique appliquée, Mar. Avec Selina Olthof, physicien expérimental de l'Université de Cologne, son équipe a commencé il y a environ deux ans pour résoudre ce problème, en lançant une étude expérimentale et théorique à grande échelle de toutes les pérovskites aux halogénures primaires (18 matériaux au total).
La méthodologie développée pour déterminer les positions du VBM et du CBM en alignant les spectres UPS et IPES mesurés avec le DOS calculé par DFT. Crédit :Université de technologie d'Eindhoven
Les niveaux d'énergie schématiques changent et leur origine dans les pérovskites AMX3 à partir d'une analyse de liaison étroite. Crédit :Université de technologie d'Eindhoven
Les positions de VBM et CBM peuvent être mesurées, en principe, par spectroscopie de photoémission (PES), et la spectroscopie de photoémission inverse (IPES), respectivement. Jusqu'à maintenant, Les études PES/IPES ont rapporté des valeurs assez diverses pour les positions VBM et CBM, cependant, même pour les matériaux pérovskites courants, car ces positions sont sensibles aux variations des protocoles communs d'évaluation des données.
Combinant calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et données PES/IPES, les chercheurs ont développé une méthodologie fiable capable de déterminer un ensemble cohérent et précis de données VBM et CBM pour les 18 pérovskites. Plus loin, en utilisant une analyse de population hamiltonienne orbitale cristalline (COHP) (Junke Jiang, doctorat candidat au CCER), et développer un modèle de liaison étroite (Prof. Geert Brocks, CCER), les chercheurs sont en mesure d'expliquer l'origine sous-jacente des tendances observées dans les positions des niveaux d'énergie de la pérovskite en termes de niveaux d'énergie des cations et des anions individuels, et l'hybridation entre les états atomiques correspondants.
« En combinant plusieurs méthodes théoriques et expérimentales, nous avons créé une nouvelle méthodologie qui nous permet d'obtenir des informations complètes sur les niveaux d'énergie électronique de cette classe de matériaux. Nous sommes très satisfaits du résultat de cette recherche après deux années d'efforts continus; nous pensons que notre travail aura un large impact dans ce domaine car cette connaissance est cruciale pour optimiser davantage les matériaux pérovskites ainsi que leur alignement énergétique dans un dispositif de travail ; les deux sont des aspects très importants pour l'efficacité des dispositifs optoélectroniques à pérovskite, " ajoute Shuxia Tao.
