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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.
Source: CEA
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