Wikimedia Commons/Solid State Une collaboration impliquant l'Iramis et l'Inac a déterminé l'ensemble des constantes élastiques de quatre pérovskites de métaux halogénés, dotées d'une composante organique intéressante pour le photovoltaïque et l'émission de
lumière.
Les pérovskites hybrides de métaux halogénés forment une famille de matériaux dont la
structure cristalline ressemble à celle d'un
minéral, le titanate de calcium (CaTiO3). Leur formule est de type AMX3 où A est un groupement
organique, M un métal (Pb) et X un
halogène (I ou Br).
Ces matériaux sont prometteurs pour le photovoltaïque car ils absorbent plus efficacement que le silicium une plus grande fraction du spectre solaire et sont moins coûteux. Des progrès récents ont permis d'obtenir jusqu'à 23 % de rendement de conversion. Cependant ils sont peu résistants, à la chaleur notamment, et certaines de leurs propriétés fondamentales sont encore mal connues.
Dans une cellule solaire, l'absorption des photons excite des électrons, ce qui conduit à la formation d'"excitons" (paires électron-trou excitées). Pour un effet photovoltaïque optimal, il faut réussir à séparer ces électrons des lacunes positives avant leur désexcitation. Or les excitons formés ont une
énergie de liaison plus faible dans les pérovskites que dans le silicium et bénéficient d'une plus grande
longueur de
diffusion avant recombinaison, ce qui leur permet d'atteindre le lieu de la
séparation des charges électriques.
Comme le comportement de ces excitons est étroitement lié aux vibrations des atomes dans la structure pérovskite, les chercheurs ont analysé ses propriétés élastiques par diffusion de neutrons. Ils ont étudié quatre familles APbX3 où A désigne le méthylammonium (CH3NH3+) ou le formamidinium (HC(NH2)2+) et X, l'iode ou le brome. Des mesures de diffusion inélastique de neutrons au Laboratoire Léon-Brillouin (Saclay) et à l'Institut Laue-Langevin (Grenoble) ont fourni pour la première fois l'
ensemble des constantes élastiques de ces matériaux.
Ces données permettront de mieux contrôler leurs propriétés électroniques et d'améliorer leurs performances dans une
cellule photovoltaïque ou en tant qu'émetteur de lumière.
Les synthèses des cristaux ont été réalisées à l'Institut des sciences chimiques de Rennes, ainsi qu'à l'
Université de science et
technologie du Roi Abdallah (Arabie Saoudite). Ces travaux ont également été réalisés en collaboration avec l'Inac, l'INSA-Rennes, l'Institut de
physique de Rennes et le Laboratoire Charles Coulomb de Montpellier.
Références
Elastic softness of hybrid lead halide perovskites, Phys. Rev. Lett.