Bien qu’elles soient criblées d’impuretés et de défauts, les pérovskites à base de plomb-halogénure traitées en solution sont étonnamment efficaces pour convertir l’énergie solaire en électricité. Leur efficacité approche celle des cellules solaires au silicium, la référence industrielle. Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Communications, des physiciens de l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA) présentent une explication complète du mécanisme derrière l’efficacité des pérovskites qui a longtemps dérouté les chercheurs.
Comment un dispositif assemblé avec un minimum de sophistication peut-il rivaliser avec une technologie de pointe perfectionnée depuis des décennies ? Au cours des 15 dernières années, la recherche sur les matériaux a vu l’essor des pérovskites à base de plomb-halogénure comme matériaux prometteurs pour les cellules solaires de nouvelle génération. L’énigme est que malgré des performances similaires, les cellules solaires en pérovskite sont fabriquées à l’aide de techniques peu coûteuses en solution, tandis que les cellules au silicium, standard de l’industrie, nécessitent des plaquettes de monocristal ultra-pures.
Aujourd’hui, le postdoctorant Dmytro Rak et le professeur assistant Zhanybek Alpichshev à l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ont découvert le mécanisme derrière les propriétés photovoltaïques uniques des pérovskites. Leur découverte clé est que si la technologie au silicium repose sur l’absence d’impuretés, l’inverse est vrai pour les pérovskites : c’est le réseau naturel de défauts structurels dans ces matériaux qui permet le transport de charge à longue distance nécessaire pour une récolte efficace de l’énergie photovoltaïque. « Notre travail fournit la première explication physique de ces matériaux tout en tenant compte de la plupart – sinon de toutes – leurs propriétés documentées », affirme Rak. Les résultats pourraient accélérer la transition des cellules solaires à base de pérovskite de nouvelle génération du laboratoire vers des applications réelles.
Pérovskites : de l’obscurité à la lumière
« Pérovskites à base de plomb-halogénure » est un terme générique pour une classe de composés découverts dans les années 1970. Ils ont été nommés pour leur similitude structurelle superficielle avec les pérovskites, une large famille de composés d’oxyde qui jouent un rôle important en science des matériaux. Cependant, à part leur curieuse capacité à former des structures cristallines hybrides organiques-inorganiques stables, les pérovskites à base de plomb-halogénure n’ont pas initialement attiré un large intérêt. Après une caractérisation standard, elles ont été cataloguées et largement oubliées.
Cependant, au début des années 2010, les chercheurs ont réalisé que ces matériaux présentent des performances photovoltaïques exceptionnelles. Les pérovskites se sont également avérées être d’excellents matériaux pour les LED ainsi que pour la détection et l’imagerie des rayons X. « En outre, ces matériaux présentent des propriétés quantiques stupéfiantes, comme la cohérence quantique à température ambiante », explique Alpichshev, dont le groupe à l’ISTA étudie les phénomènes complexes de la physique de la matière condensée dans des matériaux complexes.
Des technologies de cellules solaires fondamentalement différentes
Une cellule solaire efficace doit absorber la lumière incidente et la convertir efficacement en charges – un électron négativement chargé et un « trou » positivement chargé. Ces charges doivent ensuite être collectées aux électrodes de la cellule solaire pour produire un courant utilisable. C’est là que cela devient difficile : les charges doivent parcourir des centaines de microns – l’équivalent de centaines de kilomètres à l’échelle humaine – sans être piégées en chemin.
Dans la technologie au silicium, ce problème est résolu en rendant le milieu de collecte solaire presque exempt de défauts qui pourraient piéger les charges avant qu’elles n’atteignent les électrodes de collecte. Ce qui est inhabituel avec les dispositifs à base de pérovskite, c’est que, étant cultivés en solution, ils sont remplis de défauts. Comment les charges dans un tel environnement peuvent-elles parcourir de longues distances pour être extraites sous forme de courant utile ? De plus, pourquoi persistent-elles même assez longtemps pour le faire ?
De l’hypothèse à l’image : l’« angiographie » à l’argent
Il existe des preuves solides qu’une fois que les électrons et les trous dans les pérovskites forment un état lié – un exciton – ils se recombinent très rapidement. À la lumière de cela, l’observation que les électrons et les trous restent séparés pendant de longues périodes à l’intérieur des matériaux devient encore plus déroutante. Pour rationaliser ce paradoxe apparent, les chercheurs de l’ISTA ont conjecturé que des forces internes non prises en compte dans les pérovskites doivent déchirer les paires électron-trou naissantes et les empêcher de se recombiner.
Pour tester cette hypothèse, l’équipe a introduit des électrons et des trous profondément à l’intérieur d’un échantillon de pérovskite en utilisant des méthodes optiques non linéaires. Cela leur a permis de détecter un courant fini circulant dans exactement la même direction dans le matériau chaque fois qu’une nouvelle portion d’électrons et de trous était introduite – même en l’absence de toute tension appliquée. « Cette observation a clairement indiqué que même profondément à l’intérieur de monocristaux de pérovskites non modifiés, tels que cultivés, il existe des forces internes qui séparent les charges opposées », affirme Alpichshev.
Cependant, les caractérisations précédentes des pérovskites avaient déterminé qu’un tel comportement est incompatible avec leur structure cristalline intrinsèque. Pour résoudre cette contradiction, les chercheurs de l’ISTA ont en outre proposé que la séparation des charges ne se produit pas uniformément dans l’échantillon, mais est localisée au niveau de ce qu’on appelle les « parois de domaines » – des sites de structure modifiée qui peuvent former des réseaux microscopiques s’étendant sur tout l’échantillon.
Mais comment cette conjecture pourrait-elle être confirmée ? Comment un tel réseau de parois de domaines peut-il être visualisé profondément à l’intérieur du matériau, étant donné que la plupart des sondes locales ne sont sensibles qu’à la surface, où les propriétés peuvent différer considérablement ?
Pour surmonter ce défi, Rak a puisé dans sa formation de chimiste. Constatant que les pérovskites sont également de bons conducteurs ioniques, il s’est demandé si l’introduction de certains ions « marqueurs » pourrait être utilisée pour mettre en évidence les parois de domaines de manière non destructive. Pour le découvrir, il a développé une nouvelle technique de coloration électrochimique pour visualiser la structure des parois de domaines du matériau : il a fait diffuser des ions argent dans la masse du cristal de pérovskite, où ils s’accumuleraient de préférence au niveau des parois de domaines. Les ions ont ensuite été transformés électrochimiquement en argent métallique, permettant aux scientifiques de visualiser directement le réseau traversant toute la profondeur des matériaux sous un microscope. « Cette technique qualitative, inventée et mise en œuvre à l’ISTA, ressemble beaucoup à l’angiographie dans les tissus vivants – sauf que nous examinons la microstructure d’un cristal », explique Alpichshev.
Des autoroutes pour les électrons
Selon Rak, réaliser qu’un réseau naturel de parois de domaines séparant les charges s’étend densément dans toute la masse des pérovskites a été un changement de paradigme. Comme il l’explique, « Si une paire électron-trou est créée près d’une paroi de domaine, le champ électrique local tire l’électron et le trou dans des directions opposées, les plaçant de part et d’autre de la paroi. Incapables de se recombiner immédiatement, ils peuvent dériver le long des parois de domaines pendant ce qui semble des éternités à l’échelle de temps des porteurs de charge et parcourir de longues distances. »
Ainsi, l’équipe a démontré l’existence de ce qu’ils appellent des « autoroutes pour les porteurs de charge » à l’intérieur des pérovskites. Celles-ci expliquent les propriétés remarquables de transport de charge qui rendent les pérovskites si efficaces pour la récolte d’énergie.
Les auteurs soulignent que le présent travail fournit la première explication physique complète et cohérente des pérovskites. « Avec cette image complète, nous sommes enfin en mesure de concilier de nombreuses observations auparavant conflictuelles sur les pérovskites à base de plomb-halogénure, résolvant un débat de longue date sur la source de leur efficacité supérieure de récolte d’énergie », déclare Rak.
À ce jour, la recherche s’est principalement concentrée sur l’ajustement de la composition chimique des pérovskites, avec un succès limité. Maintenant, les découvertes de l’équipe de l’ISTA pourraient aider les chercheurs à concevoir des pérovskites pour augmenter leur efficacité sans compromettre leur processus de production à faible coût – annonçant la prochaine génération de cellules solaires.
Article : Flexoelectric domain walls enable charge separation and transport in cubic perovskites – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : ISTA
