Au cours de la dernière décennie, les pérovskites - une gamme diversifiée de matériaux avec une structure cristalline spécifique - sont apparues comme des alternatives prometteuses aux cellules solaires en silicium, car ils sont moins chers et plus écologiques à fabriquer, tout en atteignant un niveau d'efficacité comparable.

Cependant, les pérovskites présentent encore des pertes de performances et des instabilités importantes, en particulier dans les matériaux spécifiques qui promettent la plus haute efficacité ultime. La plupart des recherches à ce jour se sont concentrées sur les moyens d'éliminer ces pertes, mais leurs causes physiques réelles restent inconnues.

Maintenant, dans un article publié aujourd'hui dans La nature , des chercheurs du groupe du Dr Sam Stranks du Département de génie chimique et de biotechnologie de l'Université de Cambridge et du Laboratoire Cavendish, et l'unité de spectroscopie femtoseconde du professeur Keshav Dani à l'OIST au Japon, identifier la source du problème. Leur découverte pourrait rationaliser les efforts pour augmenter l'efficacité des pérovskites, en les rapprochant de la production de masse.

Les matériaux pérovskites sont beaucoup plus tolérants aux défauts de leur structure que les cellules solaires en silicium, et des recherches antérieures menées par le groupe de Strranks ont révélé que, dans une certaine mesure, une certaine hétérogénéité dans leur composition améliore en fait leurs performances en tant que cellules solaires et émetteurs de lumière.

Cependant, la limitation actuelle des matériaux pérovskites est la présence d'un "piège profond" provoqué par un certain type de défaut, ou défaut mineur, dans la matière. Ce sont des zones du matériau où les porteurs de charge sous tension peuvent se coincer et se recombiner, perdre leur énergie en chaleur, plutôt que de la convertir en électricité ou en lumière utile. Ce processus de recombinaison indésirable peut avoir un impact significatif sur l'efficacité et la stabilité des panneaux solaires et des LED.

Jusqu'à maintenant, très peu de choses étaient connues sur la cause de ces pièges, en partie parce qu'ils semblent se comporter assez différemment des pièges dans les matériaux traditionnels des cellules solaires.

En 2015, Le Dr Stranks et ses collègues ont publié un article scientifique sur la luminescence des pérovskites, qui révèle à quel point ils sont bons pour absorber ou émettre de la lumière. « Nous avons constaté que le matériau était très hétérogène ; vous aviez des régions assez grandes qui étaient brillantes et luminescentes, et d'autres régions vraiment sombres, " dit Stranks. " Ces régions sombres correspondent à des pertes de puissance dans les cellules solaires ou les LED. Mais ce qui causait la perte de puissance était toujours un mystère, surtout parce que les pérovskites sont par ailleurs si tolérantes aux défauts."

En raison des limites des techniques d'imagerie standard, le groupe ne pouvait pas dire si les zones les plus sombres étaient causées par une, grand site de piégeage, ou de nombreux petits pièges, ce qui rend difficile d'établir pourquoi ils ne se formaient que dans certaines régions.

Plus tard en 2017, Le groupe du professeur Keshav Dani à l'OIST a publié un article en Nature Nanotechnologie , où ils ont réalisé un film sur le comportement des électrons dans les semi-conducteurs après avoir absorbé la lumière. « Vous pouvez apprendre beaucoup en étant capable de voir comment les charges se déplacent dans un matériau ou un appareil après avoir fait briller la lumière. Par exemple, vous pouvez voir où ils pourraient être piégés, " dit Dani. " Cependant, ces charges sont difficiles à visualiser car elles se déplacent très rapidement, à l'échelle du millionième de milliardième de seconde; et sur de très courtes distances, à l'échelle du milliardième de mètre."

En entendant parler du travail de Dani, Le Dr Stranks a demandé s'ils pouvaient travailler ensemble pour résoudre le problème de visualisation des régions sombres dans les pérovskites.

L'équipe de l'OIST a utilisé pour la première fois une technique appelée microscopie électronique à photoémission (PEEM) sur des pérovskites, où ils ont sondé le matériau avec de la lumière ultraviolette et construit une image basée sur la façon dont les électrons émis se sont dispersés.

Quand ils ont regardé le matériel, ils ont découvert que les régions sombres contenaient des pièges, environ 10-100 nanomètres de longueur, qui étaient des grappes de sites de pièges plus petits de taille atomique. Ces grappes de pièges étaient réparties de manière inégale dans tout le matériel de pérovskite, expliquant la luminescence hétérogène observée dans les recherches antérieures de Stranks.

Curieusement, lorsque les chercheurs ont superposé des images des sites de piégeage sur des images montrant les grains cristallins du matériau pérovskite, ils ont constaté que les grappes de pièges ne se formaient qu'à des endroits spécifiques, aux frontières entre certains grains.

Pour comprendre pourquoi cela ne s'est produit qu'à certains joints de grains, les groupes ont travaillé avec l'équipe du professeur Paul Midgley du département des sciences des matériaux et de la métallurgie de l'université de Cambridge en utilisant une technique appelée diffraction électronique à balayage pour créer des images détaillées de la structure cristalline de la pérovskite. L'équipe du projet a utilisé l'installation de microscopie électronique de l'installation ePSIC du Diamond Light Source Synchrotron, qui dispose d'équipements spécialisés pour l'imagerie des matériaux sensibles aux faisceaux, comme les pérovskites.

« Parce que ces matériaux sont très sensibles aux faisceaux, les techniques typiques que vous utiliseriez pour sonder la structure cristalline locale sur ces échelles de longueur changeront assez rapidement le matériau lorsque vous le regardez, ce qui peut rendre l'interprétation des données très difficile" explique Tiarnan Doherty, un doctorat étudiant dans le groupe de Stranks et co-auteur principal de l'étude. "Au lieu, nous avons pu utiliser des doses d'exposition très faibles et donc éviter des dommages.

« Du travail à l'OIST, nous savions où se trouvaient les grappes de pièges, et à ePSIC, nous avons scanné autour de ces mêmes zones pour voir la structure locale. Nous avons alors pu identifier rapidement des variations inattendues dans la structure cristalline autour des amas de pièges."

Le groupe a découvert que les amas de pièges ne se formaient qu'aux jonctions où une zone du matériau avec une structure légèrement déformée rencontrait une zone avec une structure vierge.

« Dans les pérovskites, nous avons ces grains de matériau en mosaïque réguliers et la plupart des grains sont beaux et vierges - la structure à laquelle nous nous attendions, " dit Stranks. " Mais de temps en temps, vous obtenez un grain légèrement déformé et la chimie de ce grain est inhomogène. Ce qui était vraiment intéressant et qui nous a d'abord dérouté, était que ce n'est pas le grain déformé qui est le piège mais où ce grain rencontre un grain vierge; c'est à cette jonction que les pièges se regroupent."

Avec cette compréhension de la nature des pièges, l'équipe de l'OIST a également utilisé l'instrumentation PEEM sur mesure pour visualiser la dynamique du processus de piégeage des porteurs de charge dans le matériau pérovskite. « Cela a été possible car l'une des caractéristiques uniques de notre configuration PEEM est qu'elle peut imager des processus ultrarapides, aussi courts que des femtosecondes, " explique Andrew Winchester, un doctorat étudiant dans l'Unité du Pr Dani, et co-auteur principal de cette étude. "Nous avons constaté que le processus de piégeage était dominé par des porteurs de charge diffusant vers les amas de pièges."

Ces découvertes représentent une avancée majeure dans la quête d'introduction des pérovskites sur le marché de l'énergie solaire.

« Nous ne savons toujours pas exactement pourquoi les pièges se regroupent là-bas, mais nous savons maintenant qu'ils s'y forment, et apparemment seulement là, " dit Stranks. " C'est excitant car cela signifie que nous savons maintenant quoi cibler pour élever les performances des pérovskites. Nous devons cibler ces phases inhomogènes ou nous débarrasser de ces jonctions d'une manière ou d'une autre."

« Le fait que les porteurs de charge doivent d'abord diffuser vers les pièges pourrait également suggérer d'autres stratégies pour améliorer ces dispositifs, " dit Dani. " Peut-être pourrions-nous modifier ou contrôler la disposition des groupes de pièges, sans nécessairement changer leur nombre moyen, de telle sorte que les porteurs de charges sont moins susceptibles d'atteindre ces sites défectueux."

Les recherches des équipes se sont concentrées sur une structure particulière de pérovskite. Les scientifiques vont maintenant étudier si la cause de ces amas de piégeage est universelle dans d'autres matériaux de pérovskite.

"La plupart des progrès dans les performances de l'appareil ont été des essais et des erreurs et jusqu'à présent, cela a été un processus assez inefficace, " dit Stranks. " A ce jour, il n'a pas vraiment été motivé par la connaissance d'une cause spécifique et la ciblage systématique de celle-ci. C'est l'une des premières percées qui nous aidera à utiliser la science fondamentale pour concevoir des appareils plus efficaces. »