Les polarons sont des distorsions fugaces dans le réseau atomique d'un matériau qui se forment autour d'un électron en mouvement en quelques billions de seconde, puis disparaissent rapidement. Aussi éphémères soient-ils, ils affectent le comportement d'un matériau, et peut même être la raison pour laquelle les cellules solaires fabriquées avec des pérovskites hybrides au plomb atteignent des rendements extraordinairement élevés en laboratoire.

Aujourd'hui, des scientifiques du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont utilisé pour la première fois le laser à rayons X du laboratoire pour observer et mesurer directement la formation de polarons. Ils ont fait part de leurs découvertes dans Matériaux naturels aujourd'hui.

"Ces matériaux ont pris d'assaut le domaine de la recherche sur l'énergie solaire en raison de leur efficacité élevée et de leur faible coût, mais les gens se disputent encore pour savoir pourquoi ils travaillent, " a déclaré Aaron Lindenberg, un chercheur du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC et professeur agrégé à Stanford qui a dirigé la recherche.

"L'idée que les polarons puissent être impliqués existe depuis un certain nombre d'années, " dit-il. " Mais nos expériences sont les premières à observer directement la formation de ces distorsions locales, y compris leur taille, forme et comment ils évoluent.

Passionnant, complexe et difficile à comprendre

Les pérovskites sont des matériaux cristallins nommés d'après le minéral pérovskite, qui a une structure atomique similaire. Les scientifiques ont commencé à les incorporer dans des cellules solaires il y a environ une décennie, et l'efficacité de ces cellules à convertir la lumière du soleil en énergie n'a cessé d'augmenter, malgré le fait que leurs composants en pérovskite présentent de nombreux défauts qui devraient inhiber la circulation du courant.

Ces matériaux sont réputés complexes et difficiles à comprendre, dit Lindenberg. Alors que les scientifiques les trouvent passionnantes car elles sont à la fois efficaces et faciles à réaliser, soulevant la possibilité qu'ils pourraient rendre les cellules solaires moins chères que les cellules au silicium d'aujourd'hui, ils sont également très instables, se décomposent lorsqu'ils sont exposés à l'air et contiennent du plomb qui doit être maintenu hors de l'environnement.

Des études antérieures au SLAC ont exploré la nature des pérovskites avec une "caméra à électrons" ou avec des faisceaux de rayons X. Entre autres, ils ont révélé que la lumière fait tourbillonner les atomes dans les pérovskites, et ils ont également mesuré la durée de vie des phonons acoustiques (les ondes sonores) qui transportent la chaleur à travers les matériaux.

Pour cette étude, L'équipe de Lindenberg a utilisé la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du laboratoire, un puissant laser à rayons X à électrons libres qui peut imager des matériaux avec des détails proches de l'atome et capturer des mouvements atomiques se produisant en des millionièmes de milliardième de seconde. Ils ont examiné des monocristaux du matériau synthétisé par le groupe du professeur agrégé Hemamala Karunadasa à Stanford.

Ils ont frappé un petit échantillon du matériau avec la lumière d'un laser optique, puis ont utilisé le laser à rayons X pour observer comment le matériau a répondu au cours de dizaines de billions de seconde.

Bulles de distorsion en expansion

« Quand vous chargez un matériau en le frappant avec de la lumière, comme ce qui se passe dans une cellule solaire, des électrons sont libérés, et ces électrons libres commencent à se déplacer autour du matériau, " a déclaré Burak Guzelturk, un scientifique du laboratoire national d'Argonne du DOE qui était chercheur postdoctoral à Stanford au moment des expériences.

« Bientôt, ils sont entourés et engloutis par une sorte de bulle de distorsion locale - le polaron - qui voyage avec eux, " a-t-il dit. " Certaines personnes ont fait valoir que cette " bulle " protège les électrons de la dispersion des défauts du matériau, et aide à expliquer pourquoi ils se déplacent si efficacement jusqu'au contact de la cellule solaire pour s'écouler sous forme d'électricité. »

La structure en treillis de pérovskite hybride est flexible et douce, comme "une étrange combinaison d'un solide et d'un liquide en même temps, " comme le dit Lindenberg - et c'est ce qui permet aux polarons de se former et de grandir.

Leurs observations ont révélé que les distorsions polaroniques commencent très petites - à l'échelle de quelques angströms, à propos de l'espacement entre les atomes dans un solide - et s'étendent rapidement vers l'extérieur dans toutes les directions jusqu'à un diamètre d'environ 5 milliardièmes de mètre, ce qui représente une augmentation d'environ 50 fois. Cela pousse environ 10 couches d'atomes légèrement vers l'extérieur dans une zone à peu près sphérique au cours de dizaines de picosecondes, ou des billions de seconde.

"Cette distorsion est en fait assez grande, quelque chose que nous ne connaissions pas avant, " Lindenberg a déclaré. "C'est quelque chose de totalement inattendu."

Il ajouta, "Alors que cette expérience montre aussi directement que possible que ces objets existent réellement, cela ne montre pas comment ils contribuent à l'efficacité d'une cellule solaire. Il reste encore du travail à faire pour comprendre comment ces processus affectent les propriétés de ces matériaux. »