Le mystère du transport de charge s'approfondit dans les matériaux prometteurs des cellules solaires

Une explication de longue date de la raison pour laquelle les matériaux pérovskites font de si bonnes cellules solaires a été mise en doute grâce à de nouvelles mesures. Auparavant, les physiciens attribuaient les propriétés optoélectroniques favorables des pérovskites aux halogénures de plomb au comportement de quasi-particules appelées polarons dans le réseau cristallin du matériau. Maintenant, cependant, des expériences détaillées à l'Allemagne Synchrotron BESSY II a révélé qu'aucun grand polaron n'est présent. Les travaux jettent un nouvel éclairage sur la façon dont les pérovskites peuvent être optimisées pour des applications réelles, notamment les diodes électroluminescentes, les lasers à semi-conducteurs et les détecteurs de rayonnement ainsi que les cellules solaires.

Les pérovskites aux halogénures de plomb appartiennent à une famille de matériaux cristallins avec un ABX₃ structure, où A est le césium, le méthylammonium (MA) ou le formamidinium (FA); B est le plomb ou l'étain; et X est le chlore, le brome ou l'iode. Ce sont des candidats prometteurs pour les cellules solaires à couches minces et autres dispositifs optoélectroniques, car leurs bandes interdites réglables leur permettent d'absorber la lumière sur une large gamme de longueurs d'onde dans le spectre solaire. Les porteurs de charge (électrons et trous) diffusent également à travers eux sur de longues distances. Ces excellentes propriétés confèrent aux cellules solaires en pérovskite une efficacité de conversion de puissance de plus de 18 %, ce qui les place sur un pied d'égalité avec les matériaux de cellules solaires établis tels que le silicium, l'arséniure de gallium et le tellurure de cadmium.

Cependant, les chercheurs ne savent toujours pas exactement pourquoi les porteurs de charge voyagent si bien dans les pérovskites, d'autant plus que les pérovskites contiennent beaucoup plus de défauts que les matériaux de cellules solaires établis. Une hypothèse est que les polarons - particules composites constituées d'un électron entouré d'un nuage de phonons ioniques, ou vibrations de réseau - agissent comme des écrans, empêchant les porteurs de charge d'interagir avec les défauts.

Mesurer l'énergie cinétique des électrons

Dans les derniers travaux, une équipe dirigée par un physicien du solide Olivier Rader des Helmholtz-Zentrum Berlin ont testé cette hypothèse en utilisant une technique connue sous le nom de spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES). Cette technique donne des informations sur la structure de bande électronique d'un matériau via l'énergie cinétique E= 1 / 2 mv² de ses électrons, où m est la masse de l'électron et v est sa vitesse. Écrit en termes de moment de l'électron p=mv, cette relation correspond à une parabole E=(p²)/(2m) qui peut être directement mesurée dans l'expérience.

Si des polarons sont bien présents lors du transport de charge, les électrons devraient se déplacer plus lentement – ​​et donc leur masse effective devrait être plus élevée – grâce aux interactions avec les polarons. Plus la masse effective de l'électron est grande, plus la courbure de la parabole est petite. Cependant, les mesures menées par un membre de l'équipe Maryam Sajedi sur des échantillons de CsPbBr cristallin₃ n'a pas réussi à identifier la réduction attendue de la courbure de la parabole. Ce fut une surprise, dit Rader, car la théorie prévoyait une augmentation de la masse effective de 28% dans une pérovskite aux halogénures de plomb apparentée, tandis qu'une expérience concurrente dérivait une amélioration de 50% des données ARPES.

Rader attribue l'écart à une combinaison de facteurs. En principe, dit-il, la masse effective est simple à mesurer, mais il y a une mise en garde importante. "Nous mesurons une parabole dans l'énergie de liaison par rapport à la quantité de mouvement (où la quantité de mouvement provient directement de 'l'angle' dans la 'photoémission résolue en angle')", explique-t-il. "Cependant, dans un solide tridimensionnel, cette parabole est une coupe d'un paraboloïde tridimensionnel, et si nous ne le coupons pas à son sommet, nous risquons d'obtenir une masse effective erronée, généralement plus élevée."

Rader poursuit en expliquant que dans ARPES, la quantité de mouvement dans les directions x et y est liée à l'angle d'émission d'électrons, mais la quantité de mouvement dans la direction z est déterminée par l'énergie des photons utilisés pour exciter les électrons. Dans le cas de BESSY II, cette énergie photonique provient du rayonnement synchrotron à des longueurs d'onde dans la région ultraviolette du vide du spectre. La partie principale du travail expérimental consistait donc à trouver l'énergie correcte des photons pour déterminer la masse effective, dit-il.

Une autre tâche consistait à calculer la masse effective attendue sans polarons. "Nous avons utilisé une méthode avancée et constaté que les calculs précédents prévoyaient une masse effective trop petite", explique Rader. "Le problème avec ce travail précédent était donc à moitié expérimental et à moitié théorique."

Une technique fiable

Rader note qu'ARPES a précédemment détecté une amélioration de la masse électronique effective en raison de la présence de polarons dans deux composés non pérovskites, TiO₂ et SrTiO₃. C'est donc une technique fiable pour ce type de mesure, dit-il. "Notre conclusion est que notre méthode expérimentale montre qu'il n'y a aucune indication de formation de grands polarons", dit-il. "Ce résultat devrait conduire à une réévaluation des théories qui prédisent la présence et un rôle important des polarons pour les propriétés des pérovskites aux halogénures de plomb, surtout leur haute efficacité en tant que matériau de cellule solaire."

En guise de suivi, les chercheurs disent qu'ils aimeraient effectuer des mesures similaires sur un échantillon de CsPbBr cristallin₃ tout en le mettant en lumière, mais ils s'attendent à ce que ce soit «difficile» expérimentalement. Ils rapportent leurs recherches actuelles en Physical Review Letters.