Photovoltaïque: comment stabiliser la structure d'une pérovskite hybride ?

Les pérovskites hybrides apparaissent prometteuses pour le photovoltaïque mais souffrent d'instabilité structurale. Grâce à une approche originale, des chercheurs du CEA-Irig et de l'Institut national de l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau et du vent. Le règne végétal, dont...) (CEA/DRT) établissent des corrélations entre mécanismes de cristallisation, propriétés structurales et efficacité des dispositifs.

Les pérovskites hybrides de métaux halogénés de formule RMX₃ où R est un groupement 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 organiques.), M un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) et X un halogène (Les halogènes sont une série chimique constituée des éléments chimiques du groupe 17 du tableau périodique aussi appelé groupe VII ou...) (I ou Br) sont prometteuses pour le photovoltaïque car elles absorbent efficacement une partie du spectre solaire complémentaire de celle absorbée par le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) et sont moins coûteuses. La pérovskite emblématique qu'est MAPbI₃, où MA est le méthyl ammonium (L'ion ammonium (de formule NH4+) est un ion polyatomique de charge électrique positive (c'est donc plus précisément un cation polyatomique). Il est obtenu par protonation de l'ammoniac (NH3) ; Il est...), manque cependant de stabilité et son processus de fabrication n'est pas assez reproductible.

C'est pourquoi les chercheurs ont étudié dans le détail la formation de couches minces de MAPbI₃. Le dépôt est effectué en présence de chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.), un élément connu pour son effet bénéfique sur la qualité cristalline, et analysé in situ par diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion...) de rayons X.

Ils observent que l'iodure de méthyl ammonium (MAI) et le chlorure de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) PbCl₂ forment d'abord une couche de pérovskite chlorée MAPbCl₃ qui se transforme progressivement en pérovskite iodée MAPbI₃ par substitution d'halogènes au cours du recuit thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...) à 100 °C. Or la couche de MAPbI₃ est soumise à une contrainte mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout...) croissante induite par la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) chlorée jusqu'à ce que la pérovskite se décompose pour former de l'iodure de plomb PbI₂.

Des cellules photovoltaïques ont été réalisées à partir de couches minces de pérovskite dont la synthèse a été stoppée à différents stades du processus de substitution d'halogènes. L'influence de la composition chimique (présence ou non de PbI₂) et des propriétés cristallines de la couche active (notamment sa déformation) sur les performances des dispositifs a ainsi pu être étudiée.

Autre résultat de cette étude: la contrainte à laquelle est soumise la pérovskite iodée MAPbI₃, lors de sa formation à 100 °C (sa maille cristalline étant alors cubique), conditionne l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) cristalline de la couche revenue à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) ambiante, en phase à maille tétragonale. Cet effet est dû aux propriétés ferroélastiques de la pérovskite iodée, qui induisent une variabilité supplémentaire de ses propriétés structurales.

L'instabilité et la variabilité structurale des couches minces de MAPbI₃ apparaissent donc intrinsèques au composé. Une piste pour les réduire consistera à remplacer le méthyl ammonium par différents types de cations.

Références:
Unraveling the Formation Mechanism and Ferroelastic Behavior of MAPbI3 Perovskite Thin Films Prepared in the Presence of Chloride, Chemistry of Materials