Photovoltaïque: les propriétés élastiques des pérovskites révélées par les neutrons
Publié par Redbran le 24/01/2019 à 14:00
Source: CEA

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 (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...).

Les pérovskites hybrides de métaux halogénés forment une famille de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 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 (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...) (Pb) et X un halogène (I ou Br).

Ces matériaux sont prometteurs pour le photovoltaïque car ils absorbent plus efficacement que le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) 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 (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) notamment, et certaines de leurs propriétés fondamentales sont encore mal connues.

Dans une cellule solaire, l'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. Le photon est détruit...) des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se...) 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 (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.) de liaison plus faible dans les pérovskites que dans le silicium et bénéficient d'une plus grande longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa...) de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur d'un...) avant recombinaison, ce qui leur permet d'atteindre le lieu de la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) des charges électriques.

Comme le comportement de ces excitons est étroitement lié aux vibrations des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) 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 (L'iode est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole I et de numéro atomique 53.) ou le brome. Des mesures de diffusion inélastique de neutrons au Laboratoire Léon-Brillouin (Saclay) et à l'Institut Laue-Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand 1879-1960) et Paul Langevin (physicien français 1872-1946) est un organisme de recherche...) (Grenoble) ont fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites îles grecques...) pour la première fois l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) des constantes élastiques de ces matériaux.

Ces 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.) permettront de mieux contrôler leurs propriétés électroniques et d'améliorer leurs performances dans une cellule photovoltaïque (Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le...) ou en tant qu'émetteur de lumière.

Les synthèses des cristaux ont été réalisées à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics...) des sciences chimiques de Rennes, ainsi qu'à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) et technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) du Roi Abdallah (Arabie Saoudite). Ces travaux ont également été réalisés en collaboration avec l'Inac, l'INSA-Rennes, l'Institut de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) de Rennes et le Laboratoire Charles Coulomb de Montpellier.

Références
Elastic softness of hybrid lead halide perovskites, Phys. Rev. Lett.
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