Les pérovskites aux halogénures métalliques ont fait l'objet d'intenses recherches au cours de la dernière décennie en raison de l'augmentation remarquable de leurs performances dans les dispositifs optoélectroniques tels que les cellules solaires ou les diodes électroluminescentes. Malgré d'énormes progrès dans ce domaine, de nombreux aspects fondamentaux de la photophysique des matériaux pérovskites restent inconnus, comme une compréhension détaillée de la physique des défauts et des mécanismes de recombinaison de charge. Ceux-ci sont généralement étudiés en mesurant la photoluminescence, c'est-à-dire l'émission de lumière lors de la photoexcitation - du matériau à la fois en régime permanent et transitoire. Bien que de telles mesures soient omniprésentes dans la littérature, ils ne capturent pas toute la gamme des processus photophysiques qui se produisent dans les pérovskites aux halogénures métalliques et ne représentent donc qu'une image partielle de la dynamique de leurs porteurs de charge. De plus, alors que plusieurs théories sont couramment appliquées pour interpréter ces résultats, leur validité et leurs limites n'ont pas été explorées, soulevant des inquiétudes concernant les idées qu'ils offrent.

Pour aborder cette question difficile, une équipe trinationale de chercheurs de l'Université de Lund (Suède), l'Académie russe des sciences (Russie) et l'Université technique de Dresde (Allemagne) ont mis au point une nouvelle méthodologie pour l'étude des pérovskites aux halogénures de plomb. Cette méthodologie est basée sur la cartographie complète du rendement quantique de photoluminescence et de la dynamique de décroissance dans l'espace bidimensionnel (2D) de la fluence et de la fréquence de l'impulsion lumineuse d'excitation. De telles cartes 2D offrent non seulement une représentation complète de la photophysique de l'échantillon, mais aussi permettre d'examiner la validité des théories, en appliquant un seul ensemble d'équations et de paramètres théoriques à l'ensemble des données.

« Mapper un film de pérovskite à l'aide de notre nouvelle méthode, c'est comme prendre ses empreintes digitales :cela nous fournit de nombreuses informations sur chaque échantillon individuel. » dit le professeur Ivan Scheblykin, professeur de physique chimique à l'Université de Lund. "De façon intéressante, chaque carte ressemble à la forme de l'encolure et de la crinière d'un cheval, ce qui nous amène à les appeler affectueusement « chevaux pérovskites, " qui sont tous uniques à leur manière. "

« La richesse des informations contenues dans chaque carte 2D nous permet d'explorer différentes théories possibles pouvant expliquer le comportement complexe des porteurs de charge dans les pérovskites aux halogénures métalliques », ajoute le Dr Pavel Frantsuzov du Brunch sibérien de l'Académie des sciences de Russie. En effet, les chercheurs ont découvert que les deux théories les plus couramment appliquées (la théorie dite « ABC » et la théorie de Shockley-Read-Hall) ne peuvent pas expliquer les cartes 2D sur toute la gamme des paramètres d'excitation. Ils proposent une théorie plus avancée qui inclut des éléments non linéaires supplémentaires. procédés pour expliquer la photophysique des pérovskites aux halogénures métalliques.

Les chercheurs montrent que leur méthode a des implications importantes pour le développement de cellules solaires à pérovskite plus efficaces. Pr Dr Yana Vaynzof, La chaire des technologies électroniques émergentes de l'Institute for Applied Physics and Photonic Materials et du Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) explique :« En appliquant la nouvelle méthodologie à des échantillons de pérovskite avec des interfaces modifiées, nous avons pu quantifier leur influence sur la dynamique des porteurs de charge dans la couche de pérovskite en changeant, par exemple, la densité et l'efficacité des pièges. Cela nous permettra de développer des procédures de modification interfaciale qui conduiront à des propriétés optimales et à des dispositifs photovoltaïques plus efficaces. »

Surtout, la nouvelle méthode ne se limite pas à l'étude des pérovskites aux halogénures métalliques et peut être appliquée à tout matériau semi-conducteur. « La polyvalence de notre méthode et la facilité avec laquelle nous pouvons l'appliquer à de nouveaux systèmes de matériaux sont très excitantes ! Nous anticipons de nombreuses nouvelles découvertes d'une photophysique fascinante dans de nouveaux semi-conducteurs. » ajoute le professeur Scheblykin.

L'ouvrage est maintenant publié dans Communication Nature .