Représentation artistique d’électrons canalisés dans des zones de haute qualité de matériau pérovskite. Crédit : Alex T. aux studios Ella Maru
Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont utilisé une suite de méthodes de microscopie multimodales corrélatives pour visualiser, pour la première fois, pourquoi les matériaux pérovskites sont apparemment si tolérants aux défauts de leur structure. Leurs conclusions ont été publiées aujourd’hui (22 novembre 2021) dans Nature Nanotechnologie.
Le matériau le plus couramment utilisé pour produire des panneaux solaires est le silicium cristallin, mais pour obtenir une conversion efficace de l’énergie, il faut un processus de production énergivore et chronophage pour créer la structure de plaquette 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 (DEL) à haut rendement énergétique 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 » nanométriques, qui réduisent les performances photovoltaïques des dispositifs. Mais malgré la présence de ces défauts, les matériaux pérovskites présentent 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 arrive en tête.
« Ce que nous voyons, c’est que nous avons deux formes de désordre qui se produisent en parallèle », explique le doctorant Kyle Frohna, « le désordre électronique associé aux défauts qui réduisent les performances, puis le désordre chimique spatial qui semble l’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 se coincer.
En collaboration avec le laboratoire Cavendish de Cambridge, le Source de lumière diamant synchrotron à Didcot et à 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 faisons quelque chose qui s’appelle la microscopie multimodale, ce qui est une façon très élégante de dire que nous examinons la même zone de l’échantillon avec plusieurs microscopes différents et essayons essentiellement de corréler les propriétés que nous extrayons d’un avec les propriétés que nous extrayons. d’un autre », dit Frohna. « Ces expériences prennent 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 à pérovskite afin de maximiser l’efficacité.
« Pendant longtemps, les gens ont utilisé le terme tolérance aux défauts, mais c’est la première fois que quelqu’un le visualise correctement pour comprendre ce que signifie réellement être tolérant aux défauts dans ces matériaux.
“Sachant que ces deux troubles concurrents se jouent l’un contre l’autre, nous pouvons réfléchir à la manière dont nous moduler efficacement l’un pour atténuer les effets de l’autre de la manière la plus bénéfique.”
« En termes de nouveauté de l’approche expérimentale, nous avons suivi une stratégie de microscopie multimodale corrélative, mais pas seulement, chaque technique autonome est à la pointe en elle-même », déclare Miguel Anaya, chercheur à la Royal Academy of Engineering Research Fellow au 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 à de nouvelles routes de les optimiser à l’échelle nanométrique pour, en fin de compte, être plus performantes pour une application ciblée. Maintenant, nous pouvons examiner d’autres types de pérovskites qui ne sont pas seulement bons 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, quelque chose qui peut être d’un grand intérêt pour la communauté plus large de la science des matériaux.”
“Grâce à ces visualisations, nous comprenons maintenant beaucoup mieux le paysage à l’échelle nanométrique de ces semi-conducteurs fascinants – le bon, le mauvais et le laid”, explique Sam Strranks, 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.
Référence : « L’hétérogénéité chimique à l’échelle nanométrique domine la réponse optoélectronique des cellules solaires à pérovskite alliée » 22 novembre 2021, Nature Nanotechnologie.
DOI : 10.1038 / s41565-021-01019-7
