Doubler l'efficacité des dispositifs photovoltaïques
Publié par Redbran le 25/02/2020 à 14:00
Source: CEA
Dynamiques de relaxation ultrarapides dans les nanostructures colloïdales de pérovskite


Dans les cellules photovoltaïques, l'absorption d'un photon par un matériau semi-conducteur crée une paire électron-trou (appelé exciton), résultant de l'excitation d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) de la bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion locale du cristal (entre atomes voisins). Ces états de plus haute énergie sont affectés par la présence des autres...) dans la bande de conduction. Si l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) absorbé est très supérieure à celle de la bande interdite du semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant...), la paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) électron-trou formée possède un excès d'énergie qui sera rapidement dissipée, typiquement sous forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) (relaxation aux bords de bande). Extraire les porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire...) "chauds" (c.à.d. avant relaxation) permettrait en théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) de doubler l'efficacité des dispositifs photovoltaïques. Dans les dispositifs lumineux tels que les LEDs ou lasers, une relaxation rapide est plutôt recherchée. Il est ainsi important de comprendre les mécanismes de relaxation électronique.

Pour toutes ces applications, les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) pérovskites halogénées massifs présentent des propriétés optiques et électroniques particulièrement intéressantes. Récemment, ces propriétés sont étudiées dans le cas de nanostructures, où les effets de confinement modifient de manière radicale la structure électronique du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et...), mais également les taux de relaxation. Dans l'équipe DICO du LIDYL, nous avons étudié le rôle du confinement quantique dans la relaxation, grâce à une expérience de spectroscopie optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) femtoseconde (1 fs = 10^-15 s). Dans des nano-plaquettes de pérovskite de quelques monocouches d'épaisseur, nous avons montré que le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de relaxation reste très court (quelques 100 fs), alors que l'émission multi-phononique est peu probable.

Les pérovskites halogénées ont pour composition ABX3, où A+ est un cation organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés...) ou inorganique, B un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques...) divalent, et X- un anion halogénure (I-, Br- ou Cl-). L'excitation optique de grande énergie (UV) dans ces semi-conducteurs polaires conduit à la formation de paire électron-trou, avec une forte excitation électronique excédentaire. La relaxation a lieu sous forme de cascade de désexcitation, par émission successive de phonons, jusqu'à dissipation totale de l'excès d'énergie. Le temps de relaxation dépend de cet excès d'énergie, mais aussi de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau...) d'excitation.

Dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) ANR "CaMPUUS" d'Accueil de Chercheurs de Haut Niveau (ACHN) sur la plateforme laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée....) Sofockle (collaboration avec le groupe ATTO du LIDYL), la relaxation sub-picoseconde des paires électron-trou dans les nanostructures de pérovskite colloïdales a été étudiée par une technique d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique....) transitoire. Celle-ci consiste à mesurer la différence ΔA(λ,t) entre les spectres d'absorption de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) d'une impulsion laser, précédée ou non d'une impulsion pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.), ceci pour des retards t variables entre les 2 impulsions laser. Les spectres sont enregistrés à une cadence de 3 kHz et les dynamiques associées ΔA(λ,t) mesurées avec une résolution temporelle d'environ 80 fs.


Évolution temporelle des spectres d'absorption transitoire des nano-plaquettes FA-Pb-I, après excitation par une impulsion laser à 400 nm.
À gauche: données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) expérimentales (après corrections), avec en encart la carte 2D t- λ complète. À droite: En prenant en compte la structure en niveaux électroniques distincts et l'effet stark induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par l'impulsion laser, modélisation de la relaxation entre l'état "chaud" électroniquement très excité et l'état final relaxé. Le temps caractéristique est de 1/k1 = 270 fs.

Pour cette étude, nous avons d'abord développé des synthèses de nanostructures de pérovskite colloïdales dispersées en solution: des nanocristaux FAPbI3 (FA= formamidinium) à faible confinement quantique (taille environ 11 nm), ainsi que des nanoplaquettes bidimensionnelles de composition ABX3, avec A=FA+, MA+ et Cs+, B = Pb et X = I, et d'épaisseurs variables définies à la monocouche atomique près (0,6 à 1,8 nm). Les mesures d'absorption transitoire réalisées sont ensuite analysées par une méthode d'ajustement spectral et cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) globale (Voir figure) afin d'en extraire les temps de relaxation. En effet, les effets Stark importants et la discrétisation des niveaux électroniques dans ces systèmes confinés interdisent d'utiliser les méthodes classiques d'analyse comme l'extraction de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) des porteurs de charge.

La réduction de taille des objets, jusqu'à l'échelle nanométrique, entraine un espacement des niveaux électroniques qui peut devenir bien supérieur à l'énergie typique des modes de vibration. Ce désaccord énergétique avec les phonons devrait alors entraîner un allongement des temps de relaxation (effet "phonon (En physique de la matière condensée, un phonon (du grec ancien φονη / phonê, la voix) désigne un quantum de vibration dans un solide cristallin,...) bottleneck"). Cependant, les constantes de temps mesurées montrent une relaxation qui reste ultra-rapide et devenant même plus courte pour les nanostructures les plus confinées. Ce résultat peut être expliqué par le couplage croissant de l'exciton (paire —électron-trou) avec les modes de vibrations des ligands ammoniums présents en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) des nanostructures. Ce couplage se renforce d'autant plus que la fonction d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) de l'exciton est délocalisée hors de la structure cristalline.

Ce travail fait partie du travail de thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il...) de Carolina Villamil Franco (ED 2MIB 2017-2020).

Contact CEA-IRAMIS: Elsa Cassette (LIDYL/DICO)

Collaboration:
- Benoît Mahler, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) Lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...) Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) (ILM), UMR 5306 Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un médecin et...) Lyon I, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), 10 rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux d'activité économique. Elle met en relation et structure les différents quartiers, s'inscrivant de ce fait dans un réseau de voies...) Ada Byron, 69622 Villeurbanne Cedex, France
- Gaëlle Allard ( Sens et origine du nom Alard, Allard ou Allart ou hallard pourrait être la transformation du germanique adalhard composé de adal signifiant noble, et hard signifiant fort et puissant Patronyme ...), Laboratoire Lumière-Matière aux Interfaces (LUMIN), FRE2036 Université Paris-Saclay, CNRS, ENS Paris-Saclay, France.
Plateforme Laser Sofokle.
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