Le film d’électrons guide la conception de matériaux pérovskites en couches

Lijie Wang | Omar Mohammed | Lijie

Le suivi des flux de charges à la surface des pérovskites 2D devrait permettre de concevoir de meilleures cellules solaires et diodes électroluminescentes.

Des « films » détaillés montrant comment la charge électrique circule à travers un matériau stratifié appelé pérovskite 2D fournissent des informations sur la manière dont la pérovskite pourrait être ajustée pour développer des appareils électroniques plus rapides, plus durables et plus efficaces.

« Les chercheurs peuvent utiliser ces résultats pour sélectionner avec soin le nombre approprié de couches et adapter la chimie de surface afin de concevoir des matériaux pérovskites 2D améliorés pour des applications telles que les cellules solaires et les photodétecteurs », déclare Lijie Wang du KAUST, membre de l’équipe à l’origine de ces travaux.

Les pérovskites peuvent former de minces films cristallins qui convertissent la lumière en électricité ou vice versa. Elles sont commercialisées dans les panneaux solaires de nouvelle génération et sont prometteuses dans des applications telles que les diodes électroluminescentes (LED). Les chercheurs fabriquent des pérovskites en combinant des matériaux inorganiques comme l’iodure de plomb avec des molécules organiques à base de carbone. Cependant, l’exposition à la chaleur, à l’humidité ou à une lumière intense peut dégrader les pérovskites et leurs performances.

Les chercheurs espèrent résoudre ces problèmes en utilisant des matériaux étroitement apparentés appelés pérovskites 2D, dans lesquels les composants organiques et inorganiques sont disposés en couches plates alternées, un peu comme un sandwich. Les molécules organiques servent de barrière, empêchant l’humidité et l’oxygène d’atteindre les plaques inorganiques entre elles. « Cette structure ralentit considérablement les processus de dégradation et améliore la stabilité thermique », explique Omar Mohammed, du KAUST, qui a dirigé l’équipe.

Dans les dispositifs tels que les cellules solaires et les LED, la charge électrique est transportée par des électrons négatifs et les « trous » positifs qu’ils laissent derrière eux. Les composants organiques isolants des pérovskites 2D confinent ces charges dans les plaques inorganiques. Si cela peut améliorer l’efficacité des LED, cela entrave le mouvement des charges dans les cellules solaires et les photodétecteurs.

L’équipe de KAUST a maintenant étudié comment la structure des pérovskites 2D affecte le comportement des électrons et des trous à l’aide d’un microscope électronique ultra-rapide à balayage quadridimensionnel (4D-SUEM).

Tout d’abord, une impulsion laser excite la pérovskite, générant des électrons et des trous mobiles qui se propagent rapidement. Une fraction de seconde plus tard, le microscope émet une impulsion d’électrons qui rebondissent sur le matériau et sont captés par un détecteur. Il est important de noter que ces impulsions d’électrons sont plus facilement réfléchies par les parties de l’échantillon présentant une densité d’électrons et de trous plus élevée.

En prenant ainsi des clichés répétés de la pérovskite, le système crée un film montrant comment la distribution des électrons et des trous à la surface change en quelques quadrillionnes de seconde.

L’équipe a utilisé cette approche pour étudier des pérovskites 2D avec des plaques inorganiques d’une, deux ou trois couches d’épaisseur. Dans les échantillons à deux ou trois couches, les électrons et les trous se séparaient plus facilement, et les charges avaient plus tendance à se déplacer rapidement à la surface plutôt que dans la masse du matériau. « Une diffusion plus rapide à la surface permet une collecte plus efficace des charges dans des dispositifs tels que les cellules solaires et les photodétecteurs, ce qui améliore les performances des dispositifs », ajoute M. Wang.

« La prochaine étape de notre recherche consiste à étudier le comportement des porteurs de charge dans des conditions réelles, telles que des températures élevées, un éclairage intense ou des rayonnements, autant de conditions auxquelles les dispositifs peuvent être confrontés dans des environnements difficiles », conclut M. Mohammed.

Wang, L., Wu, W., Yang, J., Nughays, R., Zhou, Y., Ugur, E., Zhang, X., Shao, B., Wang, J.-X., Yin, J., De Wolf, S., Bakr, O.M. & Mohammed, O.F. Real-space imaging of photo-generated surface carrier transport in 2D perovskites. Light: Science & Applications 14, 124 (2025). DOI : s41377-025-01758-5