Dans une cellule solaire, lorsque la lumière du soleil impacte le matériau, une charge est générée. Spécifiquement, cette charge correspond à une paire électron-trou, où un électron est excité vers la bande de conduction, laissant un trou dans la bande de valence. Pour que les cellules soient efficaces, cette paire de charges doit être séparée et extraite le plus efficacement possible (l'électron et le trou doivent être dirigés vers des électrodes opposées à capturer) pour générer un courant électrique. C'est là que la ferroélectricité entre en jeu :cette propriété générerait un champ électrique intégré dans le matériau qui pourrait aider à la séparation des charges.

Dans le cas particulier des pérovskites aux halogénures de plomb, la ferroélectricité pourrait aider à comprendre pourquoi ils fonctionnent si bien en tant que matériau actif dans les cellules solaires, et en fait, c'était une explication plausible jusqu'à présent. Cependant, l'étude publiée dans Sciences de l'énergie et de l'environnement par des chercheurs de l'Institut des sciences des matériaux de Barcelone (ICMAB-CSIC) et du Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Allemagne) démontrent, pour la première fois, que le fait que ces matériaux soient optimaux pour les cellules solaires n'est pas dû à la ferroélectricité. "Ce travail est très intéressant pour comprendre pourquoi ces cellules sont si efficaces, " dit Andrés Gómez, chercheur à l'ICMAB-CSIC et premier auteur de l'article. Nous devrons continuer à chercher la réponse finale.

Le secret :La nouvelle technique utilisée

La technique utilisée pour élucider la non-ferroélectricité des pérovskites aux halogénures de plomb est la technique DPFM (microscopie à force piézoélectrique directe). Une demande de brevet décrivant la caractérisation de la technique a été déposée en 2017 par les chercheurs de l'ICMAB-CSIC. "Jusqu'à présent, il n'y avait qu'un seul mode avancé de microscopie à force atomique (AFM) appelé microscopie à force piézo-réponse (PFM) pour étudier la ferroélectricité de ces échantillons. Cependant, ce mode a suscité beaucoup de controverses, car il n'est pas suffisamment fiable pour distinguer un matériau ferroélectrique d'un autre. Bien qu'il soit possible de mesurer la ferroélectricité avec PFM, d'autres effets peuvent donner un faux signal, obtenir des résultats erronés, " explique Gomez.

Cependant, la technique DPFM, introduit en 2017 à l'ICMAB-CSIC, complémentaire à la GFP, mesure l'effet piézoélectrique de manière directe et permet de discerner clairement si un échantillon est ferroélectrique ou non. La technique ne produit pas de signaux parasites, car elle exclut de nombreux artefacts de mesure car via l'effet piézoélectrique une énergie mécanique est directement convertie en énergie électrique de manière strictement proportionnelle. Ce fait est fondamental pour pouvoir examiner l'existence de ferroélectricité dans les pérovskites aux halogénures de plomb, une question qui fait débat depuis plusieurs années.

Pour cette étude, des échantillons polycristallins de pérovskites aux halogénures de plomb et des échantillons d'autres matériaux à ferroélectricité connue utilisés comme témoin ont été analysés, et des expériences ont été menées avec des pérovskites aux propriétés différentes (taille des grains, épaisseur de couche, différents substrats, différentes textures, etc) en utilisant PFM et DPFM, et même EFM (microscopie à force électrostatique).

C'est la première fois que la technique DPFM est utilisée dans des cellules solaires à pérovskite aux halogénures de plomb. "Aucun autre groupe de recherche n'a pu, avec une résolution à l'échelle nanométrique, pour élucider si ces cellules sont réellement ferroélectriques ou non, " dit Gómez. Maintenant, nous savons.