Un matériau semi-conducteur prometteur pourrait être amélioré si les défauts que l'on croyait auparavant non pertinents pour les performances étaient réduits, selon une étude publiée aujourd'hui dans Communication Nature . Un groupe de chercheurs de l'Institut polytechnique Rensselaer et d'autres universités a montré qu'un défaut spécifique affecte la capacité de la pérovskite aux halogénures à retenir l'énergie dérivée de la lumière sous forme d'électrons.

"Les défauts peuvent être bons ou mauvais dans les semi-conducteurs, " dit Jian Shi, professeur agrégé de génie des sciences des matériaux. "Pour certaines raisons, les gens n'ont pas fait attention aux luxations dans la pérovskite aux halogénures, mais nous avons montré que ce défaut est un problème dans la pérovskite aux halogénures."

La recherche sur la pérovskite aux halogénures a rapidement amélioré l'efficacité du matériau, passant d'environ 3 % de conversion de la lumière en énergie électrique à 25 %, ce qui équivaut à des cellules solaires au silicium à la pointe de la technologie, au cours d'une décennie. Les chercheurs ont lutté avec le silicium pendant des décennies pour atteindre le niveau d'efficacité actuel de ce matériau.

La pérovskite aux halogénures a également une dynamique de porteur prometteuse, qui sont grossièrement définis comme la durée pendant laquelle l'énergie lumineuse absorbée par le matériau est retenue sous la forme d'un électron excité. Pour faire une bonne perspective de conversion d'énergie solaire, les électrons dans le matériau doivent conserver leur énergie assez longtemps pour être récupérés par une électrode fixée au matériau, complétant ainsi la conversion de la lumière en énergie électrique.

Le matériau a longtemps été considéré comme « tolérant aux défauts, " signifiant des défauts comme des atomes manquants, liaisons de mauvaise qualité à travers les grains du cristal, et un décalage connu sous le nom de dislocation cristallographique n'était pas censé avoir beaucoup d'impact sur l'efficacité. Des recherches plus récentes ont remis en question cette hypothèse et constaté que certains défauts affectent certains aspects des performances du cristal.

L'équipe de Shi a testé si le défaut de dislocation cristallographique avait un impact sur la dynamique des porteurs en faisant croître le cristal sur deux substrats différents. Un substrat a eu une forte interaction avec la pérovskite aux halogénures lors de son dépôt, produisant une plus grande densité de luxations. L'autre avait une interaction plus faible et produisait une densité de dislocations plus faible.

Les résultats montrent que les dislocations ont un impact négatif sur la dynamique des porteurs de la pérovskite aux halogénures. La réduction des densités de dislocation de plus d'un ordre de grandeur conduit à une augmentation de quatre fois la durée de vie des électrons.

"Une conclusion est que la pérovskite aux halogénures a un effet de dislocation similaire à celui des semi-conducteurs conventionnels, " dit Shi. " Nous devons faire attention aux dislocations dans la pérovskite aux halogénures, ce qui est un facteur que les gens ont ignoré lorsqu'ils travaillent sur ce matériel."

Les derniers travaux significatifs de Shi sur la pérovskite aux halogénures ont révélé le rôle de la pression sur les propriétés optiques de ce semi-conducteur publié dans Avancées scientifiques en 2018.

A Rensselaer, Shi a été rejoint par des chercheurs du Département de science et génie des matériaux et du Département de physique, Physique Appliquée et Astronomie. Chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Kunming, Université de Tsinghua, Université des sciences et technologies de Pékin, Forschungszentrum Julich, et l'Université Brown ont également contribué à la recherche.

« Amélioration de la durée de vie du transporteur dans la pérovskite aux halogénures via l'épitaxie à distance » a été publié le 12 septembre dans Communication Nature .