Contrôle des réseaux cristallins de matériaux de cellules solaires hybrides avec la lumière térahertz

May 27, 2023

L’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck, en abrégé FHI, est un lieu de recherche international où des scientifiques du monde entier étudient les principes de base qui sous-tendent...

Pour surmonter les défis énergétiques mondiaux et lutter contre la crise environnementale imminente, les chercheurs du monde entier étudient de nouveaux matériaux pour convertir la lumière du soleil en électricité. Certains des candidats les plus prometteurs pour les applications de cellules solaires à haut rendement et à faible coût sont basés sur des semi-conducteurs à pérovskite aux halogénures de plomb (LHP). Malgré des prototypes de cellules solaires record, l’origine microscopique des performances optoélectroniques étonnamment excellentes de cette classe de matériaux n’est pas encore complètement comprise. Maintenant, une équipe internationale de physiciens et de chimistes de l’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck, de l’École Polytechnique à Paris, de l’Université Columbia à New York et de l’Université libre de Berlin Contrôle laser démontré des mouvements fondamentaux du réseau atomique LHP. En appliquant un pic de champ électrique soudain plus rapide qu’un trillionième de seconde (picoseconde) sous la forme d’un seul cycle lumineux de rayonnement térahertz infrarouge lointain, les chercheurs ont dévoilé la réponse ultrarapide du réseau, qui pourrait contribuer à un mécanisme de protection dynamique pour les charges électriques. Ce contrôle précis des mouvements de torsion atomique permettra de créer de nouvelles propriétés de matériau hors équilibre, fournissant potentiellement des indices pour la conception du matériau de cellule solaire du futur.

Les matériaux des cellules solaires hybrides LHP étudiés sont constitués d’un réseau cristallin inorganique, qui agit comme des cages périodiques pour héberger des molécules organiques. L’interaction des charges électroniques gratuites avec ce réseau hybride et ses impuretés détermine la quantité d’électricité qui peut être extraite de l’énergie de la lumière du soleil. La compréhension de cette interaction complexe pourrait être la clé d’une compréhension microscopique des performances optoélectroniques exceptionnelles des LHP. Des chercheurs de l’Institut Fritz Haber de Berlin et leurs collègues internationaux ont maintenant pu isoler la réponse du réseau à un champ électrique sur des échelles de temps supérieures à 100 femtosecondes, soit un dixième de trillionième de seconde. Le champ électrique a été appliqué par une impulsion laser intense ne contenant qu’un seul cycle de lumière infrarouge lointaine, appelée térahertz (THz). « Ce champ THz est si fort et si rapide qu’il peut imiter le champ électrique local d’un porteur de charge excité immédiatement après l’absorption d’un quantum de lumière solaire », explique Maximilian Frenzel, l’un des principaux auteurs réalisant les expériences.

Par cette approche, les chercheurs observent un mouvement concerté du réseau cristallin, consistant principalement en une inclinaison d’avant en arrière des blocs de construction octaédriques de la cage inorganique. Ces vibrations excitées de manière non linéaire peuvent entraîner des effets de criblage d’ordre supérieur, jusqu’à présent négligés, contribuant à un mécanisme de protection des porteurs de charge souvent discuté. « De plus, l’angle d’inclinaison associé joue un rôle prépondérant dans la détermination des propriétés fondamentales du matériau, telles que la phase cristallographique ou la bande interdite électronique », précise le Dr Sebastian Maehrlein, chef du projet de recherche international. Ainsi, au lieu d’un réglage chimique statique des propriétés des matériaux, la conception dynamique ultrarapide des matériaux entre en jeu : « Comme nous pouvons maintenant moduler ces angles de torsion par un seul cycle de lumière THz », résume Maehrlein, « à l’avenir, nous pourrions être en mesure de contrôler les propriétés des matériaux à la demande ou même de découvrir de nouveaux états exotiques de cette classe de matériaux émergente. » En évaluant de tels états dynamiques de la matière, les chercheurs espèrent apporter quelques indices pour la conception des matériaux énergétiques du futur.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site de l’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck