De nombreuses hypothèses cherchent à expliquer les propriétés particulièrement favorables des semi-conducteurs pérovskites pour les cellules solaires. Les polarons ou un effet Rashba géant, par exemple, joueraient un rôle majeur. Une équipe de BESSY II vient de réfuter expérimentalement ces hypothèses. Ce faisant, ils réduisent davantage les causes possibles des propriétés de transport et permettent de meilleures approches pour l’optimisation ciblée de cette classe de matériaux.
La recherche sur les pérovskites aux halogénures de plomb organiques inorganiques et hybrides est en plein essor depuis plusieurs années. Cette classe de matériaux a des propriétés extrêmement intéressantes : par exemple, certains semi-conducteurs pérovskites convertissent également le spectre bleu riche en énergie de la lumière solaire en énergie électrique, de sorte que les cellules solaires à base de pérovskites en tandem avec des sous-cellules en silicium atteignent désormais des rendements de 30 %. Les semi-conducteurs pérovskites conviennent également aux diodes électroluminescentes, aux lasers à semi-conducteurs et aux détecteurs de rayonnement. Contrairement aux semi-conducteurs conventionnels, ces matériaux peuvent être produits à moindre coût et avec peu de dépense d’énergie à partir de solutions pour produire des films minces.
Mais même après des années de recherche intensive, les processus microscopiques des semi-conducteurs pérovskites qui assurent un transport de charge supérieur ne sont pas compris en détail. La seule chose qui est claire est que les porteurs de charge qui sont libérés dans le matériau par la lumière du soleil ont apparemment de longues durées de vie et sont perdus moins fréquemment, par exemple lors de défauts ou par recombinaison.
Les chercheurs ont développé des hypothèses pour expliquer ce comportement, qu’une équipe de BESSY II vient de tester expérimentalement. L’équipe dirigée par le professeur Oliver Rader a été conseillée par la professeure Eva Unger, experte en pérovskite de HZB, qui a également fourni les installations du laboratoire HySPRINT pour la préparation des échantillons.
Polarons
Une hypothèse est que les polarons se forment dans les pérovskites aux halogénures de plomb et contribuent au transport de charge. Ces polarons sont des oscillations d’ions dans le réseau cristallin qui réagissent au mouvement des électrons en raison de leur charge. Étant donné que les pérovskites sont constituées d’ions négatifs (ici le plomb) et positifs (ici le césium), l’hypothèse selon laquelle les polarons jouent un rôle était évidente. Les mesures d’un autre groupe semblaient également étayer cette hypothèse.
ARPES-Data : Pas de grands polarons
A BESSY II, cependant, cette hypothèse peut être testée en détail expérimentalement. Avec la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), il est possible de balayer les structures de bandes électroniques. Une part importante de polarons dans le transport de charge deviendrait apparente à travers une masse effective plus élevée. ARPES mesure l’énergie cinétique des électrons, soit 1/2 mv2 de masse m et de vitesse v. Plus le transport d’électrons est « résistant », plus la masse dite « effective » m est élevée. Comme la quantité de mouvement est p = mv, la formule correspond à une parabole E = (p2)/(2m) qui est mesurée directement dans l’expérience (voir figure) : plus m est grand, plus la courbure de la parabole est petite.
Cependant, les mesures effectuées par Maryam Sajedi sur des échantillons cristallins de CsPbBr3 n’ont pas montré de plus petites courbures, réfutant ainsi l’hypothèse de grands polarons. « La masse effective que nous avons déterminée à partir de la mesure n’est pas plus grande que prévu théoriquement », explique Maryam Sajedi. Et Oliver Rader explique : « Pour être sûrs de prendre en compte tous les effets possibles autres que les polarons, par exemple la répulsion des électrons les uns des autres, nous avons travaillé avec des théoriciens du Forschungszentrum Jülich. Cependant, il n’y a pas d’augmentation de masse dans le expérience pour laquelle il faudrait postuler des polarons. »
Pas d’effet Rashba géant
La deuxième hypothèse suppose un effet Rashba géant pour limiter les pertes dues à la recombinaison des porteurs de charge. L’effet Rashba est basé sur un fort couplage spin-orbite qui pourrait être produit dans les pérovskites aux halogénures de plomb par le métal lourd plomb. Encore une fois, des travaux antérieurs ont souligné cet effet comme une explication possible de la longue durée de vie des porteurs de charge. Maryam Sajedi a examiné des échantillons de CsPbBr3 inorganique et de MAPbBr3 hybride-organique avec spin ARPES et a analysé les données de mesure. « Cet effet est au moins cent fois plus petit que prévu », commente-t-elle sur le résultat.
La falsification aide à progresser
« Nous avons pu réfuter expérimentalement deux hypothèses courantes sur les propriétés de transport des pérovskites, ce qui est un résultat important », déclare Rader. L’élimination des hypothèses non valides est très utile pour l’optimisation ultérieure de ces matériaux.
Maryam Sajedi et al, Y a-t-il une signature Polaron dans la photoémission à résolution angulaire de CsPbBr3 ?, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.176405
M. Sajedi et al, Absence d’un effet Rashba géant dans la bande de valence des pérovskites aux halogénures de plomb, Examen physique B (2020). DOI : 10.1103/PhysRevB.102.081116
Fourni par Parc scientifique et technologique de Berlin Adlershof