Une nouvelle méthode pourrait permettre aux chercheurs de fabriquer des cellules solaires à pérovskite plus efficaces et plus durables, LED et photodétecteurs. En faisant croître des films minces de pérovskite sur des substrats de compositions différentes, des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont inventé un moyen de fabriquer des monocristaux de pérovskite avec des déformations précises, ou tendu, structure.

Le travail a été publié le 8 janvier dans La nature .

L'ingénierie d'une petite quantité de contrainte dans les pérovskites est d'un grand intérêt car elle permet d'apporter des modifications significatives aux propriétés du matériau, comme la façon dont il conduit l'électricité, absorbe et transmet la lumière, ou à quel point il est stable.

"Vous pouvez utiliser l'ingénierie des contraintes comme un bouton pour régler des fonctions existantes ou même installer de nouvelles fonctions dans un matériau, " dit Sheng Xu, professeur de nano-ingénierie à la UC San Diego Jacobs School of Engineering et auteur principal de l'étude.

Il existe des techniques qui utilisent la chaleur pour introduire une contrainte dans les cristaux de pérovskite, mais cette tension est généralement de courte durée ou incontrôlable en termes d'ampleur, ce qui rend ces pérovskites à ingénierie de contrainte peu pratiques à utiliser. Les techniques d'ingénierie des contraintes existantes sont également incompatibles avec les procédés de fabrication de dispositifs.

Xu et son équipe ont résolu ces problèmes en faisant soigneusement croître des monocristaux de pérovskite déformés. Leur technique intègre en permanence la contrainte dans la structure du matériau et leur permet d'adapter la quantité de contrainte - plus le réseau cristallin est déformé, plus la tension est élevée.

Le type de pérovskite étudié dans cette étude est l'iodure de plomb alpha-formamidinium, qui a été utilisé pour créer les cellules solaires à pérovskite les plus efficaces à ce jour. Les chercheurs ont fait croître des cristaux du matériau sur une série de substrats de pérovskite avec des compositions et des tailles de réseau variables, un processus appelé croissance hétéroépitaxiale. Au fur et à mesure que le matériau s'est cristallisé, il a adopté la taille de réseau de son substrat, qui a essentiellement forcé les cristaux d'iodure de plomb alpha-formamidinium à croître différemment de ce qu'ils font normalement.

"Ainsi, les réseaux du matériau sont déformés et tendus à des degrés différents, en fonction du décalage de maille entre le matériau et le substrat, " a expliqué Yimu Chen, un doctorat en nano-ingénierie. étudiant dans le laboratoire de Xu et co-premier auteur de l'étude.

"Parce que nous introduisons une contrainte au niveau atomique, nous pouvons concevoir précisément la souche et la contrôler, " dit Yusheng Lei, qui est également un doctorat en nano-ingénierie. étudiant dans le laboratoire de Xu et l'autre co-premier auteur de l'étude.

Les chercheurs ont cultivé des cristaux de pérovskite avec cinq niveaux de contrainte différents allant de 0 à -2,4%. Ils ont constaté qu'une contrainte de -1,2 % produisait des échantillons avec la meilleure mobilité des porteurs de charge.

L'équipe a également signalé une autre découverte intéressante :la croissance de cristaux d'iodure de plomb alpha-formamidinium avec une contrainte a stabilisé sa phase alpha photoactive. « Sous sa forme sans contrainte, l'iodure de plomb alpha-formamidinium subit une transition de phase d'une phase photoactive à une phase non photoactive, ce qui est mauvais pour les applications photovoltaïques, " a dit Chen. " Avec notre méthode de croissance, nous pouvons verrouiller la structure cristalline du matériau avec celle du substrat pour empêcher cette transition de phase et améliorer sa stabilité de phase."

Dans les études futures, les chercheurs exploreront les nouvelles propriétés et fonctionnalités qu'ils peuvent transformer en pérovskites à l'aide de leur méthode. Ils travailleront également à étendre leur processus pour grandir, couches minces monocristallines pour applications industrielles.