Les scientifiques du HZB ont imprimé et exploré différentes compositions de pérovskites aux halogénures à base de césium (CsPb(Br X je 1−x ) 3 (0 x ≤ 1)). Dans une plage de température comprise entre la température ambiante et 300 degrés Celsius, ils observent des transitions de phase structurelles influençant les propriétés électroniques. L'étude fournit une méthode rapide et facile pour évaluer de nouvelles compositions de matériaux pérovskites afin d'identifier des candidats pour des applications dans les cellules solaires à couche mince et les dispositifs optoélectroniques.

Les pérovskites aux halogénures hybrides (ABX3) sont devenues en quelques années seulement de nouveaux matériaux hautement efficaces pour les cellules solaires à couche mince. Le A représente un cation, soit une molécule organique, soit un métal alcalin, le B est un métal, le plus souvent du plomb (Pb) et le X est un élément halogénure tel que le bromure ou l'iodure. Actuellement, certaines compositions atteignent des rendements de conversion de puissance supérieurs à 25 %. De plus, la plupart des films minces de pérovskite peuvent facilement être traités à partir d'une solution à des températures de traitement modérées, ce qui est très économique.

Des efficacités record du monde ont été atteintes par des molécules organiques telles que le méthylammonium (MA) comme cation A et Pb et Iode ou Bromure sur les autres sites. Mais ces pérovskites organiques ne sont pas encore très stables. Les pérovskites inorganiques avec du césium au site A promettent des stabilités plus élevées, mais des composés simples comme le CsPbI 3 ou CsPbBr 3 sont soit peu stables, soit ne fournissent pas les propriétés électroniques nécessaires aux applications dans les cellules solaires ou autres dispositifs optoélectroniques.

Maintenant, une équipe de HZB a exploré les compositions de CsPb(Br X je 1 fois )3, qui fournissent des bandes interdites optiques réglables entre 1,73 et 2,37 eV. Cela rend ces mélanges vraiment intéressants pour les applications de cellules solaires multi-jonctions, en particulier pour les appareils tandem.

Pour la production, ils ont utilisé une nouvelle méthode d'impression de films minces de pérovskite combinatoire pour produire des variations systématiques de (CsPb(BrxI 1 fois ) 3 films minces sur un substrat. Pour y parvenir, deux têtes d'impression ont été remplies de CsPbBr 2 I ou CsPbI 3 puis programmé pour imprimer la quantité requise de gouttelettes de liquide sur le substrat pour former un film mince de la composition souhaitée. Après recuit à 100 Celsius pour chasser le solvant et cristalliser l'échantillon, ils ont obtenu de fines rayures avec des compositions différentes (montrées sur la photo).

Avec une source spéciale de rayons X à haute intensité, le jet de métal liquide dans le laboratoire LIMAX de HZB, la structure cristalline du film mince a été analysée à différentes températures, allant de la température ambiante jusqu'à 300 degrés Celsius. "Nous constatons que toutes les compositions étudiées se transforment en une phase de pérovskite cubique à haute température, " Hampus Näsström, doctorat élève et premier auteur de la publication explique. Au refroidissement, tous les échantillons passent à des phases de pérovskite déformée tétragonale et orthorhombique métastable, ce qui les rend adaptés aux appareils à cellules solaires. « Cela s'est avéré être un cas d'utilisation idéal de la XRD in situ avec la source de rayons X à haute brillance en laboratoire, " Roland Mayence, responsable du laboratoire LIMAX, ajoute.

Étant donné que les températures de transition dans les phases souhaitées diminuent avec l'augmentation de la teneur en bromure, cela permettrait d'abaisser les températures de traitement des cellules solaires à pérovskite inorganique.

"L'intérêt pour cette nouvelle classe de matériaux solaires est énorme, et les variations de composition possibles proches de l'infini. Ce travail montre comment produire et évaluer systématiquement un large éventail de compositions, " dit le Dr Eva Unger, qui dirige le Young Investigator Group Hybrid Materials Formation and Scaling. Dr Thomas Unold, Le chef du groupe de recherche sur les matériaux énergétiques combinatoires est d'accord et suggère que "c'est un excellent exemple de la façon dont les approches à haut débit dans la recherche pourraient accélérer considérablement la découverte et l'optimisation des matériaux dans la recherche future".