Une équipe de chercheurs du MIT et de la Northwestern University a démontré la capacité d'affiner les propriétés électroniques des matériaux pérovskites hybrides, qui ont suscité un énorme intérêt en tant que matériaux optoélectroniques de nouvelle génération potentiels pour des dispositifs tels que les cellules solaires et les sources lumineuses.

Les matériaux sont classés comme "hybrides" car ils contiennent des composants inorganiques comme des métaux, ainsi que des molécules organiques avec des éléments comme le carbone et l'azote, organisés en couches nanométriques. Dans un article publié en ligne cette semaine dans Chimie de la nature , les chercheurs ont montré qu'en faisant varier stratégiquement la composition des couches organiques, ils pouvaient régler la couleur de la lumière absorbée par la pérovskite ainsi que la longueur d'onde à laquelle le matériau émettait de la lumière. Surtout, ils y sont parvenus sans modifier substantiellement le composant inorganique.

"Jusqu'à maintenant, la plupart des preuves expérimentales et théoriques ont indiqué que les couches organiques agissent simplement comme des espaceurs inertes dont le seul rôle est de séparer les couches inorganiques électroniquement actives, " dit Will Tisdale, le professeur ARCO Career Development en études énergétiques au MIT et co-auteur de l'article. "Ces nouveaux résultats montrent que nous pouvons apprendre à la couche organique à faire beaucoup plus."

"Notre laboratoire s'est intéressé à la conception de nouveaux matériaux hybrides qui combinent des composants inorganiques et organiques afin de créer des propriétés synergiques, et c'est précisément ce que nous avons fait dans ce travail sur les matériaux énergétiques excitants connus sous le nom de pérovskites, " dit Samuel Stupp, Conseil d'administration Professeur de chimie, Science et génie des matériaux, Médicament, et Biomedical Engineering at Northwestern et co-auteur de l'article.

Pérovskites, découverts pour la première fois en tant que minéraux naturels dans les montagnes de l'Oural il y a près de 200 ans, ont fait l'objet d'une enquête approfondie au cours de la dernière décennie après qu'il a été déterminé qu'ils pouvaient transformer la lumière en électricité utilisable. Ces matériaux sont considérés comme une clé possible pour un avenir énergétique durable car ils sont moins chers à fabriquer que les cellules solaires populaires à base de silicium, et peut convertir la lumière en électricité presque aussi efficacement.

Cependant, Les cellules solaires à pérovskite sont beaucoup moins durables et stables dans des conditions extérieures en raison de leur sensibilité à la chaleur et à l'humidité. Les scientifiques ont récemment découvert que la division de la structure 3-D traditionnelle des pérovskites en plusieurs couches minces, allant de quelques atomes d'épaisseur à des dizaines d'atomes d'épaisseur, améliore la stabilité et les performances.

Dans les pérovskites en couches, la couche inorganique absorbe la lumière et produit les charges qui sont finalement nécessaires pour produire de l'énergie électrique. Les couches organiques sont généralement isolantes et agissent comme des murs géants empêchant les charges générées par la lumière de sortir de la couche inorganique.

"Cette collaboration a été passionnante car les documents que le groupe Stupp nous a envoyés de Northwestern étaient exactement en ligne avec les questions que nous posions au MIT, sur la façon dont les excitons dans les couches inorganiques de la pérovskite pourraient être influencés par les propriétés des couches organiques, " dit Katie Mauck, un ancien post-doctorant dans le groupe Tisdale et maintenant professeur assistant de chimie au Kenyon College. Avec James Passarelli, un étudiant diplômé du groupe Stupp, elle est co-premier auteur de l'article. "L'approche modulaire de James à la synthèse de pérovskite nous a permis d'ajuster de manière contrôlée l'interaction entre ces couches et d'étudier en profondeur les effets sur la dynamique des excitons, par spectroscopie dans le laboratoire Tisdale."

"Lorsque la lumière est absorbée par des semi-conducteurs tels que les pérovskites, les électrons avec leur charge négative acquièrent de l'énergie et s'éloignent, " dit Stupp. " Cela crée une force d'attraction avec les sites chargés positivement qu'ils laissent derrière eux, puisque la matière se veut neutre. Nous avons pu contrôler l'ampleur de cette force en incorporant des types spécifiques de molécules dans les couches organiques, ce qui à son tour modifie leurs propriétés intéressantes."

La collaboration Northwestern-MIT a commencé après une rencontre fortuite entre Mauck et un membre du laboratoire Stupp lors d'une conférence scientifique à l'été 2018. Le laboratoire Stupp avait auparavant effectué des travaux pionniers sur la synthèse de matériaux hybrides inorganiques-organiques pour des applications potentielles dans l'énergie et la médecine, tandis que le groupe Tisdale se spécialise dans l'utilisation de lasers pour sonder les propriétés des nanomatériaux.

Ces intérêts se chevauchaient parfaitement pour ce projet, au fur et à mesure que le groupe Stupp développait les structures de pérovskite hybrides et que le groupe Tisdale effectuait les mesures spectroscopiques précises nécessaires pour confirmer les interactions au sein des systèmes.

À l'avenir, la capacité d'affiner les propriétés électroniques de ces matériaux pourrait être appliquée à divers capteurs optiques ou électroniques, y compris des capteurs moléculaires qui tirent parti de la présence de couches organiques, ainsi qu'aux cellules solaires et aux détecteurs de lumière.

"En plus d'une voie vers des dispositifs optoélectroniques améliorés, ce travail souligne certains des avantages uniques des semi-conducteurs à l'échelle nanométrique, plus sensibles à leur environnement que les matériaux en vrac, " dit Tisdale. " Les leçons que nous avons apprises dans le contexte des pérovskites en couches hybrides peuvent être étendues à de nombreux autres matériaux émergents. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.