En utilisant la spectroscopie laser dans une expérience de photophysique, Des chercheurs de l'Université de Clemson ont innové, ce qui pourrait entraîner une énergie plus rapide et moins chère pour alimenter l'électronique.

Cette nouvelle approche, en utilisant de la pérovskite traitée en solution, est destiné à révolutionner une variété d'objets du quotidien tels que les cellules solaires, LED, photodétecteurs pour téléphones intelligents et puces informatiques. La pérovskite traitée en solution est la prochaine génération de matériaux pour les panneaux solaires sur les toits, Détecteurs de rayons X pour le diagnostic médical, et LED pour l'éclairage de la vie quotidienne.

L'équipe de recherche comprenait une paire d'étudiants diplômés et un étudiant de premier cycle qui sont encadrés par Jianbo Gao, chef de groupe du groupe Photophysique ultrarapide des dispositifs quantiques (UPQD) au Département de physique et d'astronomie du Collège des sciences.

La recherche collaborative a été publiée le 12 mars dans la revue à fort impact Communications naturelles. L'article est intitulé "Observation in-situ de porteurs piégés dans des films de pérovskite aux halogénures organiques avec des résolutions temporelles ultra-rapides et énergétiques ultra-élevées".

Le chercheur principal était Gao, qui est professeur adjoint de physique de la matière condensée. Les co-auteurs comprenaient les étudiants diplômés Kanishka Kobbekaduwa (premier auteur) et Pan Adhikari du groupe UPQD, ainsi que le premier cycle Lawrence Coleman, un senior du département de physique.

D'autres auteurs de Clemson étaient Apparao Rao, le R.A. Professeur Bowen de physique, et Exian Liu, un étudiant chinois en visite qui travaille sous Gao.

"Les matériaux pérovskites sont conçus pour des applications optiques telles que les cellules solaires et les LED, " dit Kobbekaduwa, un étudiant diplômé et premier auteur de l'article de recherche. « C'est important car il est beaucoup plus facile à synthétiser par rapport aux cellules solaires actuelles à base de silicium. Cela peut être fait par traitement en solution, tandis que dans le silicium, vous devez avoir différentes méthodes qui sont plus coûteuses et plus longues. »

L'objectif de la recherche est de fabriquer des matériaux plus efficaces, moins cher et plus facile à produire.

La méthode unique utilisée par l'équipe de Gao, utilisant la spectroscopie à photocourant ultrarapide, a permis une résolution temporelle beaucoup plus élevée que la plupart des méthodes, afin de définir la physique des porteurs piégés. Ici, l'effort est mesuré en picosecondes, qui sont un trillionième de seconde.

"Nous fabriquons des appareils à l'aide de ce matériau (pérovskite) et nous utilisons un laser pour éclairer celui-ci et exciter les électrons à l'intérieur du matériau, " dit Kobbekaduwa. " Et puis en utilisant un champ électrique externe, nous générons un photocourant. En mesurant ce photocourant, nous pouvons réellement dire aux gens les caractéristiques de ce matériau. Dans notre cas, nous avons défini les états piégés, qui sont des défauts dans le matériau qui affecteront le courant que nous obtenons."

Une fois la physique définie, les chercheurs peuvent identifier les défauts, qui finissent par créer une inefficacité dans les matériaux. Lorsque les défauts sont réduits ou passivés, cela peut entraîner une efficacité accrue, ce qui est essentiel pour les cellules solaires et autres appareils.

Comme les matériaux sont créés par des processus de solution tels que le revêtement par centrifugation ou l'impression à jet d'encre, la probabilité d'introduire des défauts augmente. Ces procédés à basse température sont moins chers que les méthodes à ultra-haute température qui donnent un matériau pur. Mais le compromis est plus de défauts dans le matériau. Trouver un équilibre entre les deux techniques peut signifier des appareils de meilleure qualité et plus efficaces à moindre coût.

Les échantillons de substrat ont été testés en tirant un laser sur le matériau pour déterminer comment le signal se propage à travers celui-ci. L'utilisation d'un laser pour éclairer les échantillons et collecter le courant a rendu le travail possible et l'a différencié des autres expériences qui n'utilisent pas l'utilisation d'un champ électrique.

"En analysant ce courant, nous pouvons voir comment les électrons se sont déplacés et comment ils sortent d'un défaut, " a déclaré Adhikari du groupe UPQD. "Ce n'est possible que parce que notre technique implique une échelle de temps ultrarapide et des dispositifs in-situ sous un champ électrique. Une fois que l'électron tombe dans le défaut, ceux qui expérimentent en utilisant d'autres techniques ne peuvent pas retirer cela. Mais nous pouvons l'enlever parce que nous avons le champ électrique. Les électrons ont une charge sous le champ électrique, et ils peuvent se déplacer d'un endroit à un autre. Nous sommes capables d'analyser leur transport d'un point à un autre à l'intérieur du matériau."

Ce transport et l'effet des défauts matériels sur celui-ci peuvent avoir un impact sur les performances de ces matériaux et des dispositifs dans lesquels ils sont utilisés. Tout cela fait partie des découvertes importantes que les étudiants font sous la direction de leur mentor, créant des ondulations qui mèneront à la prochaine grande percée.

« Les élèves ne font pas qu'apprendre ; ils font en fait le travail, " a déclaré Gao. " J'ai la chance d'avoir des étudiants talentueux qui, lorsqu'ils sont inspirés par des défis et des idées, deviendront des chercheurs influents. Tout cela fait partie des découvertes importantes que les étudiants font sous la direction de leurs mentors, créant des ondulations qui mèneront à la prochaine grande percée. Nous sommes également très reconnaissants pour les fortes collaborations avec Shreetu Shrestha et Wanyi Nie, qui sont les meilleurs scientifiques des matériaux du Laboratoire national de Los Alamos."