Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont utilisé une suite de méthodes de microscopie multimodale corrélative pour visualiser, pour la première fois, pourquoi les matériaux pérovskites semblent si tolérants aux défauts de leur structure. Leurs découvertes ont été publiées aujourd'hui dans Nature Nanotechnology .

Le matériau le plus couramment utilisé pour produire des panneaux solaires est le silicium cristallin, mais pour obtenir une conversion d'énergie efficace, il faut un processus de production énergivore et long pour créer la structure de tranche hautement ordonnée requise.

Au cours de la dernière décennie, les matériaux pérovskites sont apparus comme des alternatives prometteuses.

Les sels de plomb utilisés pour les fabriquer sont beaucoup plus abondants et moins chers à produire que le silicium cristallin, et ils peuvent être préparés dans une encre liquide qui est simplement imprimée pour produire un film du matériau. Ils présentent également un grand potentiel pour d'autres applications optoélectroniques, telles que les diodes électroluminescentes (LED) écoénergétiques et les détecteurs de rayons X.

Les performances impressionnantes des pérovskites sont surprenantes. Le modèle typique d'un excellent semi-conducteur est une structure très ordonnée, mais la gamme de différents éléments chimiques combinés dans les pérovskites crée un paysage beaucoup plus "désordonné".

Cette hétérogénéité provoque des défauts dans le matériau qui conduisent à des "pièges" à l'échelle nanométrique, qui réduisent les performances photovoltaïques des dispositifs. Mais malgré la présence de ces défauts, les matériaux pérovskites affichent toujours des niveaux d'efficacité comparables à leurs alternatives au silicium.

En fait, des recherches antérieures du groupe ont montré que la structure désordonnée peut en fait augmenter les performances de l'optoélectronique pérovskite, et leurs derniers travaux cherchent à expliquer pourquoi.

En combinant une série de nouvelles techniques de microscopie, le groupe présente une image complète du paysage chimique, structurel et optoélectronique à l'échelle nanométrique de ces matériaux, qui révèle les interactions complexes entre ces facteurs concurrents et, finalement, montre ce qui l'emporte.

"Ce que nous voyons, c'est que nous avons deux formes de désordre qui se produisent en parallèle", explique Ph.D. étudiant Kyle Frohna, "le désordre électronique associé aux défauts qui réduisent les performances, puis le désordre chimique spatial qui semble les améliorer.

"Et ce que nous avons découvert, c'est que le désordre chimique - le "bon" désordre dans ce cas - atténue le "mauvais" désordre des défauts en canalisant les porteurs de charge loin de ces pièges dans lesquels ils pourraient autrement être pris."

En collaboration avec le laboratoire Cavendish de Cambridge, l'installation synchrotron Diamond Light Source à Didcot et l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa au Japon, les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques microscopiques différentes pour examiner les mêmes régions dans le film de pérovskite. Ils pourraient ensuite comparer les résultats de toutes ces méthodes pour présenter une image complète de ce qui se passe à l'échelle nanométrique dans ces nouveaux matériaux prometteurs.

"L'idée est que nous fassions quelque chose appelé microscopie multimodale, qui est une façon très élégante de dire que nous regardons la même zone de l'échantillon avec plusieurs microscopes différents et essayons essentiellement de corréler les propriétés que nous retirons d'un avec les propriétés que nous tirons d'un autre », dit Frohna. "Ces expériences demandent beaucoup de temps et de ressources, mais les récompenses que vous obtenez en termes d'informations que vous pouvez extraire sont excellentes."

Les résultats permettront au groupe et à d'autres dans le domaine d'affiner davantage la fabrication des cellules solaires en pérovskite afin de maximiser l'efficacité.

"Pendant longtemps, les gens ont jeté le terme de tolérance aux défauts, mais c'est la première fois que quelqu'un l'a correctement visualisé pour comprendre ce que signifie réellement être tolérant aux défauts dans ces matériaux.

"Sachant que ces deux troubles concurrents jouent l'un sur l'autre, nous pouvons réfléchir à la manière dont nous modulons efficacement l'un pour atténuer les effets de l'autre de la manière la plus bénéfique."

"En ce qui concerne la nouveauté de l'approche expérimentale, nous avons suivi une stratégie de microscopie multimodale corrélative, mais pas seulement, chaque technique autonome est à la pointe de la technologie", déclare Miguel Anaya, chercheur à la Royal Academy of Engineering du département de chimie de Cambridge. Ingénierie et Biotechnologie

"Nous avons visualisé et donné les raisons pour lesquelles nous pouvons appeler ces matériaux tolérants aux défauts. Cette méthodologie permet de nouvelles voies pour les optimiser à l'échelle nanométrique afin, en fin de compte, de mieux fonctionner pour une application ciblée. Maintenant, nous pouvons examiner d'autres types de pérovskites qui sont non seulement bon pour les cellules solaires mais aussi pour les LED ou les détecteurs et comprendre leurs principes de fonctionnement.

"Plus important encore, l'ensemble d'outils d'acquisition que nous avons développés dans ce travail peut être étendu pour étudier tout autre matériau optoélectronique, ce qui peut être d'un grand intérêt pour la communauté scientifique des matériaux au sens large."

"Grâce à ces visualisations, nous comprenons désormais beaucoup mieux le paysage à l'échelle nanométrique de ces semi-conducteurs fascinants :le bon, le mauvais et le laid", déclare Sam Stranks, professeur adjoint d'université en énergie au département de génie chimique et de biotechnologie de Cambridge.

"Ces résultats expliquent comment l'optimisation empirique de ces matériaux par le terrain a conduit ces pérovskites à composition mixte à des performances aussi élevées. Mais il a également révélé des plans pour la conception de nouveaux semi-conducteurs qui peuvent avoir des attributs similaires - où le désordre peut être exploité pour adapter les performances. ." + Explorer plus loin

Les semi-conducteurs pérovskites aux halogénures métalliques peuvent concurrencer leurs homologues en silicium pour les cellules solaires, les LED