Des recherches menées par des physiciens de l'Université du Texas à Dallas ont modifié la compréhension des propriétés fondamentales des cristaux de pérovskite, une classe de matériaux à grand potentiel en tant que cellules solaires et émetteurs de lumière.

Publié en juillet dans Communication Nature , l'étude présente des preuves qui remettent en question les modèles existants du comportement des pérovskites au niveau quantique.

« Notre meilleure compréhension de la physique des pérovskites aidera à déterminer la meilleure façon de les utiliser, " a déclaré le Dr Anton Malko, professeur agrégé de physique à la Faculté des sciences naturelles et mathématiques et auteur correspondant de l'article.

Le terme pérovskite fait référence à des minéraux ayant la même structure cristalline spécifique que le composé qui portait à l'origine le nom de pérovskite :le titanate de calcium.

"Dans n'importe quel cristal pur, les atomes sont disposés de manière très ordonnée, " a déclaré le Dr Riya Bose, associé de recherche postdoctoral en physique qui a préparé les échantillons pour l'étude. "Des milliers de matériaux peuvent être définis comme des pérovskites par leur structure particulière. Certains types de ceux-ci sont d'excellents candidats pour les cellules solaires ou les émetteurs de lumière."

La recherche sur la pérovskite est relativement jeune, à commencer par les études photovoltaïques publiées il y a une dizaine d'années. Par comparaison, Les cellules solaires au silicium ont été raffinées pendant de nombreuses décennies.

« Cellules solaires au silicium, comme ceux que vous pouvez acheter maintenant, sont devenus plus efficaces au fil des décennies, considérablement augmenté après les années 1960, " a déclaré Malko. " L'efficacité d'aujourd'hui est d'environ 20 pour cent, " ce qui signifie qu'un cinquième de l'énergie de la lumière incidente est convertie en électricité par des cellules solaires.

Parce que les pérovskites sont un sujet de recherche plus récent, beaucoup reste inconnu sur pourquoi ils se comportent comme ils le font.

"Ce qui est connu, cependant, est que les pérovskites dépassent déjà le rendement maximal atteint avec le silicium, " a déclaré Malko. " Ils sont également faciles à fabriquer et sont très bon marché par rapport au silicium. "

Ce qui retient la pérovskite, c'est son instabilité; une cellule solaire à pérovskite devrait être remplacée en quelques semaines.

"Une cellule solaire qui se dégrade rapidement au soleil est clairement inutile, " a déclaré Malko. " Une cellule de silicium pourrait durer 20 ans. Avec la pérovskite, la durée de vie se mesure en centaines d'heures. Mais même cela représente un progrès depuis les premières recherches. Maintenant, nous sommes passés à travailler avec des pérovskites inorganiques, qui devrait prolonger cette vie."

De nombreux matériaux avec de bons taux d'absorption de la lumière sont également bons pour réémettre cette lumière. Les travaux de Malko se sont concentrés sur le comportement d'émission de lumière des pérovskites au niveau des nanoparticules.

« Le rendement quantique de certaines particules de pérovskite est proche de 100 %, ce qui signifie qu'ils sont super brillants, " dit-il. " Nous avons entrepris de trouver la source spécifique de cette luminescence. "

Avant l'étude de Malko, le modèle répandu était celui au sein des pérovskites, comme dans beaucoup d'autres semi-conducteurs, la lumière est émise par les excitons :états liés de charges négatives et positives, appelés respectivement électrons et trous. Les excitateurs peuvent se déplacer sur de grandes distances à l'intérieur du matériau.

Selon ce modèle, à mesure que la taille du matériau rétrécit, les excitons devraient devenir plus restreints dans leur mouvement, un processus appelé confinement quantique. Cela devrait entraîner des changements dans la longueur d'onde, ou couleur, de lumière absorbée ou émise.

En utilisant la spectroscopie à particule unique pour observer des nanoparticules de pérovskite, les scientifiques voulaient savoir ce que faisaient les excitons individuels. En testant la sagesse conventionnelle, ils l'ont réfuté.

"Nous avons observé que la lumière pérovskite est remarquablement cohérente, " dit Malko. " Malgré l'examen d'un large éventail de tailles, de 9 à 30 nanomètres, la longueur d'onde d'émission - la couleur de la lumière - était inchangée dans les échantillons de pérovskite à base de césium, " a-t-il dit. " La lumière émise était d'un vert spécifique, quelle que soit la taille de la matière observée. "

Quoi Malko, Bose et leurs collègues ont découvert - à la fois dans les pérovskites qui possèdent des réseaux cristallins tridimensionnels internes et dans ceux à zéro dimension - que l'émission de lumière au niveau d'une seule nanoparticule ressemblait davantage à la lumière d'un individu, des excitations moléculaires fortement localisées plutôt que des électrons mobiles et des trous. En creusant plus loin, les chercheurs ont déterminé que la source de la lumière émise était étroitement liée aux sites vacants des atomes de bromure dans les pérovskites.

"Ces résultats contredisent le modèle de confinement quantique, ce qui dicterait que la source de luminescence dans ces pérovskites proviendrait d'excitons délocalisés sur des nanoparticules, " a déclaré Malko. "Les pérovskites de toute taille démontreront ce comportement."

En outre, en cas de confinement quantique, l'exposition à une lumière plus intense créerait plus d'excitons avec un comportement et des propriétés émissives différents. Dans les nanoparticules de pérovskite à base de césium, cependant, la sortie de photons améliorée a été caractérisée par des paramètres d'émission similaires.

« Ceci est radicalement différent des vues précédentes de la communauté, " a déclaré Malko. " Le préjugé dominant concernant le confinement quantique a été difficile à déplacer. "

Malko a décrit la recherche comme une étape importante dans la compréhension des propriétés d'émission des matériaux pérovskites. Toujours, un certain nombre de problèmes doivent être résolus avant leur mise en œuvre pratique—principalement, le problème de la longévité.

"Si quelqu'un trouve un moyen de faire durer les pérovskites plusieurs années, Je prédis qu'il y aura des dizaines d'entreprises fabriquant des cellules solaires à pérovskite et des dispositifs électroluminescents, " il a dit.