Une percée dans la visualisation soutient leurs efforts pour extraire chaque goutte d’utilité possible des matériaux à base de pérovskite, y compris les cellules solaires, un projet de longue date qui n’a que récemment donné une avancée pour rendre les appareils beaucoup plus durables.

Une étude publiée cette semaine dans Physique naturelle détaille la première mesure directe de la dynamique structurelle sous excitation induite par la lumière dans les pérovskites 2D. Les pérovskites sont des matériaux en couches qui ont des réseaux cristallins bien ordonnés. Ce sont des collecteurs de lumière très efficaces qui sont explorés pour être utilisés comme cellules solaires, photodétecteurs, photocatalyseurs, diodes électroluminescentes, émetteurs quantiques et plus encore.

« La prochaine frontière dans les dispositifs de conversion lumière-énergie est la récolte de porteurs chauds », a déclaré Aditya Mohite de l’Université Rice, auteur correspondant de l’étude. « Des études ont montré que les porteurs chauds dans la pérovskite peuvent vivre jusqu’à 10 à 100 fois plus longtemps que dans les semi-conducteurs classiques. Cependant, les mécanismes et les principes de conception du transfert d’énergie et leur interaction avec le réseau ne sont pas compris. »

Les porteurs chauds sont des porteurs de charge à haute énergie et à courte durée de vie, soit des électrons pour les charges négatives, soit des « trous » d’électrons pour les charges positives, et avoir la capacité de récolter leur énergie permettrait aux dispositifs de collecte de lumière de « dépasser l’efficacité thermodynamique », a déclaré Mohite. , professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à la George R. Brown School of Engineering de Rice.

Mohite et trois membres de son groupe de recherche, le scientifique principal Jean-Christophe Blancon et les étudiants diplômés Hao Zhang et Wenbin Li, ont travaillé avec des collègues du SLAC National Accelerator Laboratory pour voir comment les atomes d’un réseau de pérovskite se sont réarrangés lorsqu’un porteur chaud a été créé dans milieu d’eux. Ils ont visualisé la réorganisation du réseau en temps réel à l’aide de la diffraction électronique ultrarapide.

« Chaque fois que vous exposez ces semi-conducteurs mous à des stimuli tels que des champs électriques, des choses intéressantes se produisent », a déclaré Mohite. « Lorsque vous générez des électrons et des trous, ils ont tendance à se coupler au réseau de manière inhabituelle et très forte, ce qui n’est pas le cas pour les matériaux et les semi-conducteurs classiques.

« Il y avait donc une question de physique fondamentale », a-t-il déclaré. « Pouvons-nous visualiser ces interactions ? Pouvons-nous voir comment la structure réagit réellement à des échelles de temps très rapides lorsque vous mettez de la lumière sur ce matériau ?

La réponse était oui, mais seulement avec une forte contribution. L’installation de diffraction électronique ultrarapide (MeV-UED) méga-électron-volt du SLAC est l’un des rares endroits au monde à disposer de lasers pulsés capables de créer le plasma électron-trou dans les pérovskites qui était nécessaire pour révéler comment la structure du réseau a changé en moins de un milliardième de seconde en réponse à un porteur chaud.

« La façon dont cette expérience fonctionne est que vous tirez un laser à travers le matériau, puis vous envoyez un faisceau d’électrons qui le traverse dans un délai très court », a expliqué Mohite. « Vous commencez à voir exactement ce que vous verriez dans une image TEM (microscope électronique à transmission). Avec les électrons à haute énergie du SLAC, vous pouvez voir les schémas de diffraction d’échantillons plus épais, ce qui vous permet de surveiller ce qui arrive à ces électrons et trous. et comment ils interagissent avec le réseau. »

Les expériences au SLAC ont produit des modèles de diffraction avant et après que l’équipe de Mohite a interprétés pour montrer comment le réseau a changé. Ils ont découvert qu’une fois le réseau excité par la lumière, il se détendait et se redressait littéralement en aussi peu qu’une picoseconde, soit un billionième de seconde.

Zhang a déclaré: « Il y a une inclinaison subtile des octaèdres pérovskites, qui déclenche cette réorganisation transitoire du réseau vers une phase symétrique supérieure. »

En démontrant qu’un réseau de pérovskite peut soudainement devenir moins déformé en réponse à la lumière, la recherche a montré qu’il devrait être possible de régler la façon dont les réseaux de pérovskite interagissent avec la lumière, et elle a suggéré un moyen d’accomplir le réglage.

Li a déclaré: « Cet effet dépend beaucoup du type de structure et du type de cation espaceur organique. »

Il existe de nombreuses recettes pour fabriquer des pérovskites, mais toutes contiennent des cations organiques, un ingrédient qui agit comme un espaceur entre les couches semi-conductrices des matériaux. En remplaçant ou en modifiant subtilement les cations organiques, les chercheurs pourraient adapter la rigidité du réseau, en l’augmentant ou en la diminuant pour modifier la façon dont le matériau réagit à la lumière, a déclaré Li.

Mohite a déclaré que les expériences montrent également que le réglage du réseau d’une pérovskite modifie ses propriétés de transfert de chaleur.

« Ce qui est généralement attendu, c’est que lorsque vous excitez des électrons à un niveau d’énergie très élevé, ils perdent leur énergie au profit du réseau », a-t-il déclaré. « Une partie de cette énergie est convertie dans le processus que vous souhaitez, mais une grande partie est perdue sous forme de chaleur, ce qui se traduit dans le diagramme de diffraction par une perte d’intensité.

« Le réseau tire plus d’énergie de l’énergie thermique », a déclaré Mohite. « C’est l’effet classique, qui est attendu, et qui est bien connu sous le nom de facteur Debye-Waller. Mais parce que nous pouvons maintenant savoir exactement ce qui se passe dans toutes les directions du réseau cristallin, nous voyons que le réseau commence à devenir plus cristallin ou ordonné. . Et c’est totalement contre-intuitif. »

Une meilleure compréhension de la façon dont les pérovskites excitées gèrent la chaleur est un bonus de la recherche, a-t-il déclaré.

« Alors que nous fabriquons des appareils de plus en plus petits, l’un des plus grands défis du point de vue de la microélectronique est la gestion de la chaleur », a déclaré Mohite. « Il est important de comprendre cette génération de chaleur et comment elle est transportée à travers les matériaux.

« Lorsque les gens parlent d’empiler des appareils, ils doivent pouvoir extraire la chaleur très rapidement », a-t-il déclaré. « Alors que nous passons à de nouvelles technologies qui consomment moins d’énergie et génèrent moins de chaleur, ces types de mesures nous permettront de sonder directement comment la chaleur circule. »

La recherche a été soutenue par le Department of Energy (DE-AC02-05-CH11231, DE-AC02-76SF00515, DE-339SC0016534), l’Office of Naval Research (N00014-20-1-2725), la Robert A. Welch Foundation (C-0002) et l’Institut universitaire de France.