Une nouvelle technique a été développée permettant de prendre des images fiables à résolution atomique, pour la première fois, de films minces hybrides de pérovskite photoactive. Ces images ont des implications importantes pour l'amélioration des performances des matériaux des cellules solaires et ont élargi la compréhension de ces matériaux technologiquement importants. La percée a été réalisée par une équipe conjointe de l'Université d'Oxford et de Diamond Light Source qui vient de publier un nouvel article à paraître dans Science le 30 octobre, intitulé "Microstructure à l'échelle atomique de la pérovskite aux halogénures métalliques".

A l'aide du microscope ePSIC (Electron Physical Science Imaging Center) E02 et du microscope ARM200 au sein du Département des Matériaux, Université d'Oxford, l'équipe a développé une nouvelle technique qui leur a permis d'imager les films minces de pérovskites photoactifs hybrides avec une résolution atomique. Cela leur a donné un aperçu sans précédent de leur composition atomique et leur a fourni des informations invisibles pour toutes les autres techniques.

Dr Mathias Uller Rothmann du Département de physique, Université d'Oxford, explique, "C'est la dernière étape sur le chemin pour pouvoir imager, et ainsi comprendre, ces matériaux importants pour les cellules solaires au plus fondamental, niveau atomique. C'est une découverte importante qui n'a pas été accomplie avec succès auparavant, bien que ces matériaux soient parmi les plus étudiés au monde au cours des huit dernières années. Le matériau s'endommage incroyablement rapidement sous un faisceau d'électrons, nous avons donc dû baisser la dose d'électrons au point où nous courions aux limites de ce que les détecteurs peuvent enregistrer. En réalité, les dommages se produisent si rapidement que dans des conditions d'imagerie « normales », le mal est fait avant que vous vous en rendiez compte. Cela signifie qu'il existe probablement une quantité relativement importante de littérature qui a fait des observations basées sur la version endommagée du matériau, et pas celui qui va dans les cellules solaires réelles. "

Les mécanismes derrière les performances impressionnantes de ces pérovskites particulières n'ont pas encore été entièrement compris, mais ils dépendent probablement de propriétés au niveau atomique qui peuvent leur être uniques.

Dr Chris Allen, microscopiste électronique principal à ePSIC dit; « L'imagerie des matériaux sensibles aux faisceaux à une résolution atomique est extrêmement difficile, comme les électrons de haute énergie ont tendance à endommager l'échantillon, modifier sa structure atomique. En adaptant une technique d'imagerie qui n'est habituellement pas associée à une imagerie à faible dose d'électrons, Cette collaboration entre des scientifiques de l'Université d'Oxford et ePSIC a permis d'obtenir une résolution sans précédent sur cette importante classe de matériaux. Non seulement cela a répondu aux questions sur la structure atomique des pérovskites hybrides, mais ouvre également des pistes de recherche sur de nombreux autres matériaux sensibles aux faisceaux. »

L'article passe en revue une combinaison de conditions qui peuvent maintenant être utilisées pour l'imagerie des matériaux ainsi que des images de propriétés microscopiques qui n'ont jamais été observées auparavant dans ces matériaux. L'équipe décrit cela comme révolutionnaire car cela permet aux scientifiques d'étudier exactement la composition locale des films avec une précision et une précision atomiques. Cette technique est assez largement utilisée pour étudier d'autres matériaux, mais en raison de la nature remarquablement instable des pérovskites photoactives, notamment sous un faisceau d'électrons, cela n'a pas été possible pour les pérovskites hybrides jusqu'à présent.

"En utilisant notre protocole, nous avons pu décrire la nature atomique exacte des joints de grains, l'un des aspects les plus mal compris des cellules solaires à pérovskite, ainsi que la description d'une toute nouvelle gamme de défauts cristallins qui peuvent avoir un impact significatif sur les performances macroscopiques des dispositifs à cellules solaires. On pourrait dire que nous avons maintenant débloqué le prochain niveau de capacité pour comprendre ces matériaux passionnants. Bien que nous n'ayons pas encore une image complète de ce que cela signifiera pour le développement de ces cellules solaires, les chercheurs seront désormais en mesure de donner des réponses définitives au lieu de suppositions éclairées lorsqu'ils tenteront de répondre à des questions sur les propriétés microscopiques des matériaux des cellules solaires pérovskites. Répondre à ces questions sera un grand pas pour orienter le domaine vers des cellules solaires toujours plus performantes, et, peut-être, vers la prévention d'une catastrophe climatique, " conclut le Dr Rothmann.

La nouvelle technique de l'équipe leur a permis d'observer une toute nouvelle gamme de phénomènes relatifs aux pérovskites hybrides, y compris des propriétés importantes telles que la composition exacte des joints de grains et d'autres interfaces, que d'autres techniques n'ont pas pu résoudre. En outre, l'équipe a observé une gamme de défauts cristallographiques qui n'ont jamais été pris en compte pour les pérovskites hybrides et qui sont connus dans d'autres matériaux de cellules solaires pour être très préjudiciables aux performances globales. La suppression de ces défauts sera importante pour des performances élevées, mais jusqu'à maintenant, il était impossible d'identifier de manière fiable leur présence.