Une équipe de recherche dirigée par le professeur Zhao Jin du Département de physique, L'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences a découvert des phonons de réseau basse fréquence dans des pérovskites aux halogénures, ce qui entraîne une tolérance élevée aux défauts vis-à-vis de la recombinaison électron-trou avec leur logiciel développé indépendamment, Hefei-NAMD. L'étude publiée dans Avancées scientifiques .

Les cellules solaires ont été largement utilisées dans diverses applications de subsistance ou industrielles, tandis que l'efficacité et la durabilité des semi-conducteurs d'énergie solaire harcèlent toujours les fabricants. Les défauts des matériaux semi-conducteurs forment des centres de recombinaison électron-trou (e-h) préjudiciables à l'efficacité de la conversion solaire. Il s'agit d'un enjeu scientifique important dans ce domaine.

Dès les années 1950, les scientifiques Shockley, Read et Hall ont proposé le célèbre modèle Shockley-Read-Hall (SRH) via lequel les états de défaut dans la bande interdite forment des centres de recombinaison e-h. Et pendant des décennies, le modèle abstrait a été adapté par de nombreux scientifiques dans le domaine des semi-conducteurs. Cependant, il ne tient pas compte du couplage électron-phonon qui est la clé de la recombinaison e-h par des processus non radiatifs.

Dans cette étude, les chercheurs ont étudié les processus de recombinaison e-h dus à des défauts ponctuels natifs dans l'halogénure de plomb méthylammonium (MAPbI 3 ) des pérovskites utilisant la dynamique moléculaire ab initio non adiabatique et prenant en compte précisément des facteurs tels que les interactions électron-phonon, niveaux d'énergie, vitesse nucléaire, effets de décohérence et concentration de porteurs. Ils ont découvert que la recombinaison de charge dans MAPbI 3 n'a pas été amélioré, que les défauts introduisent un état de bande peu profond ou profond, ce qui signifiait que la théorie de la SSR était caduque.

En analysant quantitativement le couplage électron-phonon, ils ont démontré que les porteurs photogénérés ne sont couplés qu'à des phonons basse fréquence et que les états des électrons et des trous se chevauchent faiblement, ce qui explique pourquoi MAPbI 3 montre encore une efficacité de conversion solaire élevée avec de nombreux défauts.

Ces découvertes sont importantes dans la conception future de matériaux semi-conducteurs fonctionnels pour la conversion de l'énergie solaire.