Des chercheurs du groupe Cava du département de chimie de l'Université de Princeton ont démystifié les raisons de l'instabilité d'une pérovskite inorganique qui a suscité une grande attention pour son potentiel de création de cellules solaires hautement efficaces.

À l'aide de la diffraction des rayons X sur un monocristal réalisée à l'Université de Princeton et des mesures de la fonction de distribution des paires de rayons X réalisées au Brookhaven National Laboratory, Les chercheurs du département de chimie de Princeton ont détecté que la source de l'instabilité thermodynamique dans l'iodure de plomb de césium pérovskite aux halogénures (CsPbI3) est l'atome de césium inorganique et son comportement de « cliquetis » au sein de la structure cristalline.

La diffraction des rayons X donne une signature expérimentale claire de ce mouvement.

La recherche, "Comprendre l'instabilité de la pérovskite aux halogénures CsPbI 3 grâce à l'analyse structurelle en fonction de la température, " sera publié la semaine prochaine dans la revue Matériaux avancés .

Daniel Straus, chercheur associé postdoctoral dans le Groupe Cava et auteur principal de l'article, a expliqué que tandis que le césium occupe un seul site dans la structure à des températures inférieures à 150 K, il "se divise" en deux sites au-dessus de 175 K. Avec d'autres paramètres structurels, cela suggère des preuves du comportement de cliquetis du césium dans son polyèdre de coordination de l'iode.

En outre, le faible nombre de contacts césium-iode au sein de la structure et le degré élevé de distorsion octaédrique locale contribuent également à l'instabilité.

Dans la recherche, les mesures monocristallines caractérisent la structure moyenne du matériau. À Brookhaven, la fonction de distribution de paires de rayons X a permis aux chercheurs de déterminer le comportement de la structure à l'échelle de longueur de la maille unitaire. (Une cellule unitaire est la plus petite unité répétitive dans un cristal.) C'est à ce niveau local que le degré élevé de distorsion octaédrique est devenu évident, dit Straus.

La métastabilité à température ambiante du CsPbI 3 est depuis longtemps un facteur connu, mais cela n'avait pas été expliqué auparavant.

« Trouver une explication à un problème qui intéresse tant de personnes dans la communauté de la recherche est formidable, et notre collaboration avec Brookhaven a été plus que fantastique, " dit Robert Cava, le professeur de chimie Russell Wellman Moore, un expert en synthèse et caractérisation structure-propriété.

Efficacités « remarquables »

Actuellement, la pérovskite aux halogénures dominante dans les applications de conversion de l'énergie solaire est basée sur l'iodure de plomb méthylammonium, un matériau hybride organique-inorganique qui a été incorporé dans des cellules solaires avec des rendements certifiés de 25,2 % ; cela rivalise avec l'efficacité des cellules solaires au silicium commerciales. Si cette efficacité « remarquable » suscite l'intérêt, l'iodure de plomb méthylammonium souffre de problèmes d'instabilité que l'on pense provenir de la nature volatile du cation organique. Pour corriger ce problème, les chercheurs ont tenté de remplacer le cation organique par du césium inorganique, qui est nettement moins volatile.

Cependant, contrairement à l'iodure de plomb méthylammonium, la phase pérovskite de l'iodure de plomb césium est métastable à température ambiante.

"Si vous voulez fabriquer une cellule solaire avec de l'iodure de plomb au césium non modifié, il va être très difficile de contourner cela et de stabiliser ce matériau, " a déclaré Straus. "Vous devez trouver un moyen de le stabiliser qui contourne le fait que cet atome de césium est un peu trop petit. Il y a plusieurs façons dont les gens ont essayé de modifier chimiquement le CsPbI3 et ils fonctionnent bien. Mais il ne sert à rien d'essayer de fabriquer des cellules solaires à partir de ce matériau en vrac sans y faire des choses fantaisistes. »

Des informations structurelles détaillées dans l'article suggèrent des méthodes pour stabiliser la phase pérovskite de CsPbI 3 et ainsi améliorer la stabilité des cellules solaires à pérovskite aux halogénures. L'article révèle également les limites des modèles de facteurs de tolérance pour prédire la stabilité des pérovskites aux halogénures. La plupart de ces modèles prédisent actuellement que la CsPbI 3 doit être stable.

Au laboratoire de Brookhaven

Une technique connue sous le nom de mesure de fonction de distribution de paires, qui décrit la distribution des distances entre les atomes, aidé les chercheurs de Princeton à mieux comprendre l'instabilité. Using Brookhaven's Pair Distribution Function (PDF) beamline at the National Synchrotron Light Source II, lead beamline scientist Milinda Abeykoon worked with samples of thermodynamically unstable CsPbI 3 , which he received from the Cava Lab in several sealed glass capillaries inside a container filled with dry ice.

Measuring these samples was challenging, said Abeykoon, because they would decompose quickly once removed from the dry ice.

"Thanks to the extremely bright X-ray beam and large area detectors available at the PDF beamline, I was able to measure the samples at multiple temperatures below 300 K before they degraded, " said Abeykoon. "When the X-ray beam bounces off the sample, it produces a pattern characteristic of the atomic arrangement of the material. This gives us the possibility to see not only what is happening at the atomic scale, but also how the material behaves in general in one measurement."

Cava lauded the 45-year relationship he has had with Brookhaven, which began with experiments he completed there for his Ph.D. thesis in the 1970s. "We have had several great collaborations with Brookhaven, " il a dit.