Les pérovskites hybrides aux halogénures organiques ou inorganiques sont une classe unique de matériaux de cellules solaires qui enfreignent certaines des règles de conception des matériaux en place depuis plus de 30 ans. Par exemple, ils peuvent atteindre une performance extraordinairement élevée, en dépit d'être riche en défauts et désordonné à l'échelle macroscopique.

Cette qualité désordonnée contraste fortement avec les semi-conducteurs inorganiques plus traditionnels qui sont actuellement utilisés pour fabriquer de l'électronique. En outre, leur morphologie rend beaucoup plus difficile la quantification des paramètres de transport spatial indispensables à l'optimisation des structures des dispositifs.

Les performances des dispositifs semi-conducteurs sont fondamentalement régies par la dynamique des porteurs de charge au sein des matériaux. Alors que de nombreux chercheurs ont tenté de mieux comprendre ces dynamiques, de nombreuses questions restent sans réponse.

Par exemple, le transport balistique des porteurs de charges (par exemple, électrons) à travers ces matériaux, également connu sous le nom de propagation balistique, était jusqu'à présent considéré comme ne jouant aucun rôle pertinent dans le fonctionnement du photovoltaïque (PV) et des diodes électroluminescentes. En effet, cette propagation est rapidement perturbée une fois les porteurs générés, via un processus appelé diffusion.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Cambridge et de l'Université d'Oxford a récemment mené une étude visant à en savoir plus sur la dynamique des porteurs de charge dans les matériaux pérovskites. Leur étude, Publié dans Physique de la nature , ont spécifiquement étudié la dynamique spatio-temporelle des porteurs immédiatement après l'absorption des photons par des films de pérovskite d'iodure de plomb et de méthylammonium.

"De façon intéressante, les matériaux hybrides de pérovskites aux halogénures organiques-inorganiques affichent également une dynamique ultrarapide riche sur l'échelle de temps inférieure à 200 fs, qui est resté largement inexploré jusqu'à présent, " les chercheurs ont dit à Phys.org, par email. "Nous avons donc cherché une sonde directe pour visualiser le comportement de transport des porteurs de charge photoinduit dans ces matériaux à l'échelle de temps femtoseconde couplée à une précision spatiale nanométrique."

Pour étudier la dynamique spatio-temporelle des porteurs dans les films de pérovskite d'iodure de plomb méthylammonium, les chercheurs ont utilisé un microscope optique à résolution temporelle avec une résolution temporelle extrême et une précision spatiale nanométrique. Ils ont utilisé un faisceau de pompage très confiné spatialement de l'ordre de 200 nm pour exciter le matériau, ce qui a entraîné la génération d'électrons excités uniquement dans une petite zone de leur échantillon.

"En délivrant un faisceau de sonde faiblement focalisé sur le matériau et en faisant varier le délai par rapport au faisceau de pompe, la dynamique spatiale de la distribution des électrons photogénérés peut être enregistrée, " les chercheurs ont expliqué. " Puisque nous comparons les changements de la distribution au fil du temps, la précision spatiale n'est pas limitée par la limite de diffraction optique mais par la précision de mesure."

La précision spatiale obtenue par leur microscope optique a permis aux chercheurs de distinguer la dynamique sur des échelles de longueur aussi petites que dix nanomètres dans le matériau. En utilisant cette technique de microscopie optique résolue en temps, les chercheurs ont pu visualiser directement le mouvement des électrons, même en quelques dizaines de femtosecondes.

Leur étude a rassemblé les premières données d'imagerie montrant clairement le fonctionnement des matériaux pérovskites directement après l'absorption des photons. Ils ont découvert qu'immédiatement après l'absorption des photons, les électrons de ces matériaux se déplacent extrêmement rapidement sur une distance sans précédent.

"Après avoir enregistré le film d'électrons photoexcités, nous avons quantifié la largeur de la distribution des électrons à chaque cliché et enregistré le déplacement quadratique moyen, " les chercheurs ont dit. "Cette analyse fournit la mobilité des électrons."

Les chercheurs ont observé que les électrons se déplaçaient à une vitesse de 5 × 10 ⁶ Mme ^-1 plus de 150 nm, ce qui représente près de 1% de la vitesse de la lumière au-dessus de 150 nm. Cette vitesse énorme implique que dans les pérovskites aux halogénures, les électrons se déplacent de manière ondulatoire, tel que décrit par les théories de la mécanique quantique prédisant la dualité onde-particule.

"C'est un résultat très surprenant, comme on a longtemps supposé que le comportement de la mécanique quantique des électrons se dégradait très rapidement dans les cellules solaires et cède la place à un comportement "classique", ", ont déclaré les chercheurs.

Les observations pourraient avoir des implications importantes pour le développement de nouvelles technologies, car ils appellent finalement à une réévaluation des théories actuelles sur le fonctionnement des cellules solaires, à la fois ceux faits de pérovskites et ceux fabriqués à l'aide d'autres semi-conducteurs inorganiques. En réalité, contrairement à la plupart des études précédentes, ces résultats suggèrent que le comportement quantique est présent dans la plupart des cellules solaires en fonctionnement.

« Maintenant que nous avons découvert ce régime de transport sans précédent, nous allons commencer à regarder d'autres matériaux pour voir s'il existe une règle de conception universelle qui dicte l'apparition du transport balistique, " les chercheurs ont dit. " Si nous pouvons établir une telle connexion universelle, cela pourrait bien s'avérer transformateur dans la façon dont nous envisageons la conception de cellules solaires à l'avenir. »

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