Avancée de l’Iramis (CEA) sur la connaissance des pérovskites

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Les pérovskites sont des composés halogénés (ABX3 où B est un métal et X un halogène I, B ou Cl), aux propriétés optiques et électroniques flexibles, ce qui est très intéressant pour le photovoltaïque, rappelle Direction de la Recherche Fondamentale (DRF) du CEA dans un communiqué publié à cette occasion.

Leur utilisation dans des cellules solaires est envisagée sous forme de couches minces dans lesquelles sont formés des nanocristaux de pérovskites. De telles cellules présentent déjà des rendements favorables mais résistent mal aux ultraviolets, précisent les chercheurs.

Lorsque l’énergie du photon absorbé est supérieure à la largeur de la « bande interdite » de la pérovskite (de l’ordre de 1,5 eV), la paire « électron-trou » créée au sein du semi-conducteur possède un excès d’énergie usuellement dissipé sous forme de chaleur, via une cascade d’émissions successives de phonons (quanta d’énergie de vibration du cristal). Pour augmenter le rendement de conversion (d’un facteur deux en théorie) et éviter l’échauffement, il faudrait pouvoir extraire rapidement du matériau photosensible les porteurs de charge avant leur « relaxation ».

C’est là qu’intervient le temps de relaxation des pérovskites nanostructurées. En effet, « une piste consiste à structurer le matériau à l’échelle nanométrique de manière à bénéficier d’un ‘’confinement quantique’’. Celui-ci a pour effet d’écarter les niveaux d’énergie électroniques, ce qui réduit leur couplage avec les phonons et devrait donc allonger les temps de relaxation. La meilleure méthode pour tester cette idée consiste à mesurer directement ce temps de relaxation et à identifier les mécanismes qui l’influencent.

C’est ainsi que les chercheurs de l’Iramis ont étudié plusieurs solutions colloïdales contenant des nanocristaux et des nanoplaquettes de pérovskites de diverses compositions chimiques et sont parvenus à mesurer leur temps de relaxation par spectroscopie laser femtoseconde (10-15 s). Plus précisément, ils ont procédé à une mesure d’absorption transitoire à l’aide de deux impulsions successives, séparées d’un retard variable (pompe et sonde).

Les temps de relaxation observés restent cependant très courts (de l’ordre de quelques centaines de femtosecondes). Ce résultat s’explique par le couplage croissant des paires électron-trou avec les modes de vibration des ligands présents à la surface des nanostructures colloïdales, explique le CEA.

En perspective, ces travaux soulignent ainsi l’importance de mieux contrôler les effets de surface, pour maitriser la relaxation des porteurs chauds, et améliorer ainsi les dispositifs photovoltaïques, où l’on recherche des temps de relaxation longs. A contrario, pour les dispositifs d’émission de lumière (LED ou laser), on recherche des temps de relaxation rapides.

L’Institut Rayonnement-Matière de Saclay (Iramis) est un des principaux Instituts de la Direction de la Recherche Fondamentale (DRF) du CEA.