Le schéma montre un échantillon de pérovskite (noir) examiné par la technique de résonance photothermique induite. Lorsque l'échantillon absorbe des impulsions lumineuses (représentées sous forme de disques dans des cônes violets), l'échantillon se dilate rapidement, faisant vibrer le porte-à-faux d'un microscope à force atomique (AFM) comme un diapason frappé. Le mouvement du cantilever, qui est détecté en réfléchissant la lumière laser AFM (rouge) sur le détecteur AFM, fournit une mesure sensible de la quantité de lumière absorbée. Crédit : NIST
Les matériaux cristallins connus sous le nom de pérovskites pourraient devenir les prochaines superstars des cellules solaires. Au cours des dernières années, les chercheurs ont démontré qu'une classe spéciale de pérovskites, constituées d'un hybride de composants organiques et inorganiques, convertit la lumière du soleil en électricité avec une efficacité supérieure à 20 % et est plus facile à fabriquer et plus résistante aux défauts que la cellule solaire standard en silicium cristallin. . Comme fabriqué aujourd'hui, cependant, ces pérovskites organiques/inorganiques (OIP) se détériorent bien avant la durée de vie typique de 30 ans des cellules silicium, ce qui empêche leur utilisation généralisée dans l'exploitation de l'énergie solaire.
Aujourd'hui, une équipe dirigée par Andrea Centrone du National Institute of Standards and Technology (NIST) et Jinsong Huang et Alexei Gruverman de l'Université du Nebraska a trouvé la première preuve solide d'une propriété des OIP qui peut fournir une nouvelle façon d'améliorer leur longue durée de vie. -stabilité à terme que les cellules solaires.
La caractéristique inattendue que l'équipe a trouvée est connue sous le nom de ferroélasticité - un réarrangement spontané de la structure interne des OIP dans lequel chaque cristal se subdivise en une série de régions minuscules, ou domaines, qui ont le même arrangement atomique mais qui sont orientés dans des directions différentes. Ce réarrangement crée une contrainte spontanée dans chaque domaine qui existe même en l'absence de toute contrainte externe (force).
"Le rôle des domaines ferroélastiques sur la stabilité du matériau doit être compris, " a déclaré Centrone.
A hautes températures, Les cristaux OIP ne se subdivisent pas et ont le même arrangement cubique d'atomes partout. À température ambiante, cependant, la structure cristalline OIP passe de cubique à tétragonale, dans lequel un axe du cube s'allonge. C'est là que la propriété ferroélastique du matériau entre en jeu.
L'image enregistrée par un microscope à force atomique révèle la topographie d'un échantillon polycristallin de la pérovskite, y compris les frontières entre les cristaux. Crédit :NIST
"Pour passer d'un arrangement cubique à un arrangement tétragonal, un axe du cube doit s'allonger. Dans le processus, chaque cristal se subdivise en domaines plus petits dans lesquels l'axe allongé peut pointer dans une direction différente, entraînant une tension interne spontanée, ", a expliqué le membre de l'équipe Evgheni Strelcov du NIST et de l'Université du Maryland.
Maintenant, on ne sait toujours pas si la ferroélasticité est une propriété qui améliore ou entrave les performances et la stabilité des cellules solaires à pérovskite, a noté Centrone. Mais le fait même que les OIP aient cette structure interne, briser les monocristaux en domaines, est important d'enquêter, il ajouta. Les limites entre les cristaux, appelées limites inter-grains, sont connues pour être des points faibles, où se concentrent les défauts de structure. De la même manière, les limites entre les domaines ferroélastiques nouvellement découverts à l'intérieur d'un monocristal – les limites intra-grain – pourraient également affecter la stabilité des OIP et leurs performances en tant que cellules solaires.
Les chercheurs ont découvert qu'en pliant les cristaux, ils pouvaient se déplacer de manière fiable, créer ou éliminer les joints de grains ferroélastiques - les frontières entre les régions cristallines subdivisées ayant des orientations différentes - agrandissant ou réduisant ainsi la taille de chaque domaine. La flexion a également modifié la fraction relative des domaines pointant dans des orientations différentes. Les chercheurs ont récemment décrit leur travail dans Science Advances.
L'image prise avec la technique de résonance induite photothermique montre les domaines ferroélastiques nouvellement découverts (striations) dans la plupart des cristaux. L'échelle indique l'intensité du signal PTIR, une mesure de la lumière infrarouge absorbée par l'échantillon. Crédit :NIST
Dans leur étude, l'équipe n'a trouvé aucune preuve que les OIP étaient ferroélectriques ; en d'autres termes, qu'ils forment des domaines où la séparation du centre des charges électriques positives et négatives est alignée dans des directions différentes en l'absence d'un champ électrique externe. Ce constat est significatif, parce que certains chercheurs avaient émis l'hypothèse que la ferroélectricité pourrait être la propriété sous-jacente qui fait des OIP des candidats prometteurs pour les cellules solaires.
Les chercheurs ont créé des cristaux entiers suffisamment gros pour révéler des domaines ferroélastiques, qui apparaissaient sous forme de stries au microscope optique. Ils ont également étudié des OIP constitués de couches minces polycristallines, qui ont été examinés à l'aide de techniques à l'échelle nanométrique.
Les chercheurs ont utilisé deux méthodes à l'échelle nanométrique utilisant des sondes de microscope à force atomique (AFM) pour mesurer la ferroélasticité dans des films minces OIP. A l'Université du Nebraska, Gruverman et ses collaborateurs ont utilisé la microscopie à force piézo-réponse (PFM), qui a cartographié la réponse mécanique induite électriquement d'un échantillon OIP au repos et sous contrainte mécanique en pliant doucement l'échantillon.
L'illustration montre qu'en réponse à une contrainte appliquée, comme le pliage, les limites des domaines ferroélastiques (les régions rouges et bleues représentent des domaines orientés dans des directions différentes) deviennent plus grandes ou plus petites. Crédit :NIST
Dans l'autre méthode, des impulsions laser allant du visible à l'infrarouge ont frappé un film mince de pérovskite, provoquant l'échauffement et l'expansion du matériau. La minuscule expansion a été capturée et amplifiée par la sonde AFM en utilisant la résonance photothermique induite (PTIR), une technique qui combine la résolution d'un AFM avec les informations de composition précises fournies par la spectroscopie infrarouge. L'imagerie PTIR a révélé la présence de stries microscopiques qui persistaient même lorsque les échantillons étaient soumis à un chauffage ou à une tension appliquée. Les expériences ont montré que les stries n'étaient pas corrélées avec la composition chimique locale ou les propriétés optiques, mais étaient dues à des différences de coefficient de dilatation thermique des domaines ferroélastiques.
