Les nano-ingénieurs de l'UC San Diego ont développé une nouvelle méthode pour fabriquer des pérovskites sous forme de films minces monocristallins, qui sont plus efficaces pour une utilisation dans les cellules solaires et les dispositifs optiques que les formes polycristallines de pointe actuelles du matériau.

Leur méthode de fabrication, qui utilise des procédés de fabrication de semi-conducteurs standard, permet d'obtenir des films de pérovskite monocristallins flexibles à zone contrôlée, épaisseur, et composition. Ces films monocristallins présentaient moins de défauts, une meilleure efficacité, et une stabilité améliorée que leurs homologues polycristallins, ce qui pourrait conduire à l'utilisation de pérovskites dans les cellules solaires, LED, et photodétecteurs.

Des chercheurs du laboratoire de nano-ingénierie de la Jacobs School of Engineering du professeur Sheng Xu ont publié leurs résultats le 29 juillet dans La nature .

"Notre objectif était de surmonter les défis de la réalisation de dispositifs pérovskites monocristallins", dit Yusheng Lei, un étudiant diplômé en nano-ingénierie et premier auteur de l'article. "Notre méthode est la première qui peut contrôler avec précision la croissance et la fabrication de dispositifs monocristallins avec un rendement élevé. La méthode ne nécessite pas d'équipement ou de techniques sophistiqués - l'ensemble du processus est basé sur la fabrication traditionnelle de semi-conducteurs, indiquant en outre sa compatibilité avec les procédés industriels existants.

Les pérovskites sont une classe de matériaux semi-conducteurs avec une structure cristalline spécifique qui démontrent des propriétés électroniques et optoélectroniques intrigantes, qui rendent les pérovskites attrayantes pour une utilisation dans les appareils qui canalisent, détecter, ou sont contrôlés par la lumière-cellules solaires, fibre optique pour la communication, ou des appareils à LED, par exemple.

"Actuellement, presque toutes les approches de fabrication de pérovskite sont axées sur les structures polycristallines car elles sont plus faciles à produire, bien que leurs propriétés et leur stabilité soient moins remarquables que les structures monocristallines", dit Yimu Chen, un étudiant diplômé en nano-ingénierie et co-premier auteur de l'article.

Le contrôle de la forme et de la composition des pérovskites monocristallines pendant la fabrication a été difficile. La méthode inventée dans le laboratoire de Xu a permis de surmonter cet obstacle en tirant parti des processus de fabrication de semi-conducteurs existants, notamment la lithographie.

« L'électronique moderne comme votre téléphone portable, des ordinateurs, et les satellites sont basés sur des couches minces monocristallines de matériaux tels que le silicium, nitrure de gallium, et l'arséniure de gallium, " dit Xu. " Les monocristaux ont moins de défauts, et donc de meilleures performances de transport électronique, que les polycristaux. Ces matériaux doivent être en couches minces pour une intégration avec d'autres composants de l'appareil, et que le processus d'intégration doit être évolutif, à bas prix, et idéalement compatible avec les normes industrielles existantes. Cela avait été un défi avec les pérovskites."

En 2018, L'équipe de Xu a été la première à intégrer avec succès les pérovskites dans le processus industriel de lithographie standard; un défi, puisque la lithographie implique de l'eau, auxquels les pérovskites sont sensibles. Ils ont contourné ce problème en ajoutant une couche de protection polymère aux pérovskites suivie d'une gravure à sec de la couche de protection lors de la fabrication. Dans cette nouvelle recherche, les ingénieurs ont développé un moyen de contrôler la croissance des pérovskites au niveau du monocristal en concevant un motif de masque de lithographie qui permet un contrôle dans les dimensions latérales et verticales.

Dans leur processus de fabrication, les chercheurs utilisent la lithographie pour graver un motif de masque sur un substrat de cristal en vrac de pérovskite hybride. La conception du masque fournit un processus visible pour contrôler la croissance de la formation de film cristallin ultra-mince. Cette couche monocristalline est ensuite décollée du substrat cristallin massif, et transféré sur un substrat arbitraire tout en conservant sa forme et son adhérence au substrat. Un mélange plomb-étain dont la composition change progressivement est appliqué à la solution de croissance, créant une bande interdite électronique à gradation continue du film mince monocristallin.

La pérovskite réside dans le plan mécanique neutre pris en sandwich entre deux couches de matériaux, permettant au film mince de se plier. Cette flexibilité permet au film monocristallin d'être incorporé dans des cellules solaires à couche mince flexibles à haut rendement, et dans les appareils portables, contribuer à l'objectif d'un contrôle sans fil sans batterie.

Leur méthode permet aux chercheurs de fabriquer des couches minces monocristallines jusqu'à des carrés de 5,5 cm sur 5,5 cm, tout en maîtrisant l'épaisseur de la pérovskite monocristalline - allant de 600 nanomètres à 100 microns - ainsi que le gradient de composition dans le sens de l'épaisseur.

"Simplifier davantage le processus de fabrication et améliorer le rendement de transfert sont des problèmes urgents sur lesquels nous travaillons, " dit Xu. " Alternativement, si nous pouvons remplacer le masque de motif par des couches de transport de support fonctionnelles pour éviter l'étape de transfert, l'ensemble du rendement de fabrication peut être largement amélioré."

Au lieu de chercher des agents chimiques pour stabiliser l'utilisation des pérovskites polycristallines, cette étude démontre qu'il est possible de fabriquer des dispositifs monocristallins stables et efficaces en utilisant des procédures et des matériaux de nanofabrication standard. L'équipe de Xu espère étendre davantage cette méthode pour réaliser le potentiel commercial des pérovskites.