Qualité cristalline, ferroélasticité et performance des cellules photovoltaïques à base de pérovskites hybrides

Les pérovskites hybrides tel MAPbI3, suscitent de grands intérêts en tant que matériaux photovoltaïques. Afin d'optimiser les performances des cellules photovoltaïques à base de perovkites, des chercheurs de l'Irig ont étudiés le comportement de cristallisation de MAPbI3. Leur approche, applicable à d'autres types de pérovskites d'halogénures métalliques, permet d'optimiser rationnellement les performances et la stabilité à long terme du dispositif.

Dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu...) d'une transition énergétique incontournable qui impose de progresser vers une décarbonation de la production d'énergie, les filières renouvelables se développent, parmi lesquelles les technologies solaires. Le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) fournit chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) à la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...) une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) d'énergie équivalente à plus de 8 000 fois la consommation énergétique mondiale. Mais cette énergie est peu concentrée d'où les enjeux technologiques que représente sa récupération efficace. En 2018, le solaire (photovoltaïque et thermique) représentait 3 % de la production mondiale d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la...). Au cours des dix dernières années son taux de croissance est proche de 50 %, essentiellement du fait du développement massif (Le mot massif peut être employé comme :) du photovoltaïque. Le 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 électrique,...) le plus couramment utilisé dans les technologies photovoltaïques est le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Mais depuis une dizaine d'années des travaux importants sont consacrés à d'autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) très prometteurs comme les pérovskites hybrides halogénées. Ceux-ci présentent toutefois des défis de stabilité et de reproductibilité (La reproductibilité d'une expérience scientifique est une des conditions qui permet d'inclure les observations réalisées durant cette expérience...) à relever.

MAPbI₃ (MA = CH₃NH₃) est le 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...) pérovskite emblématique pour ses applications dans le domaine photovoltaïque. Mais la faible valeur de son énergie de formation entraîne une dépendance forte aux conditions de synthèse, ce qui fait de la reproductibilité des propriétés chimiques et structurales des couches minces synthétisées, un casse-tête pour les expérimentateurs. Or, la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon...) de ces propriétés est un prérequis à l'optimisation des performances des cellules photovoltaïques.

Dans le cadre d'une collaboration, des équipes de l'Irig et de 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...) 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...) (Ines) ont étudié les mécanismes de formation de couches minces de MAPbI₃. Elles ont mis en évidence les effets de l'instabilité intrinsèque de la pérovskite iodée qui se décompose sous l'effet d'une contrainte. Dans cette étude, les chercheurs élucident 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...) des rayons X (DRX) in situ, le processus de cristallisation de couches minces de MAPbI₃ en présence de chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.). Le chlore est effectivement connu pour avoir un effet bénéfique sur la qualité cristalline, les mécanismes en jeu n'étant toutefois pas encore clairement identifiés.

Ces équipes démontrent (Figure 1) 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 spontanément une couche de pérovskite MAPbCl₃, qui se transforme progressivement en une couche de MAPbI₃, par substitution des halogènes lors 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...) à 100 °C. La couche de MAPbI₃ ainsi formée est fortement contrainte du fait de la différence de paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) de maille entre les deux pérovskites (environ 10 %) si bien qu'au-delà d'un seuil critique, la pérovskite se décompose pour former, entre autres, de l'iodure de plomb PbCl₂.

Des cellules photovoltaïques ont été réalisées à partir de couches minces de MAPbI₃ dont la synthèse a été arrêtée à différents stades du processus de substitution ionique. L'influence de la composition chimique (présence ou non de PbI₂) et des propriétés cristallines (notamment la déformation) de la couche active sur les performances des dispositifs a ainsi pu être étudiée.

Par ailleurs, comme fréquemment observé avec les composés de structure pérovskite, MAPbI₃ est un matériau ferroïque: il subit vers 57 °C une transition de phase cubique/tétragonale ferroélastique (Figure 2). Les chercheurs ont mis en évidence une conséquence importante de cette ferroélasticité qui 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...) une variabilité des propriétés cristallines: l'état de contrainte de MAPbI₃ atteint lors de sa formation à 100 °C, dans la phase 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...) cristalline de la couche à 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 sensations...) ambiante, dans la phase tétragonale.

Cette étude confirme le caractère intrinsèque de l'instabilité et de la variabilité structurale des couches minces de MAPbI₃. L'introduction de différents types de cations au lieu du seul MA est une voie prometteuse d'amélioration de la stabilité. L'étude de tels matériaux complexes bénéficiera de l'approche développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) dans cette étude corrélant mécanismes de cristallisation, propriétés structurales et efficacité des dispositifs.

La structure cristalline pérovskite est commune à de nombreux oxydes, de formule générale ABO₃. Ce type de matériaux suscite depuis longtemps un grand intérêt du fait notamment de fréquentes propriétés ferroïques. Pour les applications photovoltaïques, il ne s'agit pas d'oxydes mais de matériaux dans lesquels A et B sont, respectivement, des ions organiques et inorganiques et l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) est remplacé par des halogènes, comme dans le composé emblématique MAPbI₃ (MA = CH₃NH₃).

Notes

Collaboration: équipes SGX et STEP, respectivement des laboratoires MEM et SyMMES de l'Irig, et équipe SMPV/LMPO de l'Institut National de 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.) Solaire.

Matériau ferroïque: Un matériau ferroïque possède plusieurs états stables énergétiquement équivalents. Le passage d'un état stable à un autre peut être obtenu par application temporaire d'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) extérieure magnétique, électrique ou mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...) respectivement dans le cas de matériaux ferromagnétiques, ferroélectriques et ferroélastiques.

MAPbI3 et ferroélasticité: Lors de la transition de phase structurale que subit MAPbI₃ vers 57°C, la transformation de la maille cubique hautement symétrique en maille tétragonale moins symétrique induit, pour une orientation spécifique du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud...) cubique, plusieurs orientations possibles équivalentes du réseau tétragonal, d'où l'existence de défauts cristallins appelés mâcles. Un matériau ferroélastique se caractérise, entre autres, par le fait que dans la phase de basse symétrie, l'application d'une contrainte peut transformer l'orientation d'un domaine cristallin en une orientation différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de...) équivalente.

Références:
Medjahed AA, Dally P, Zhou T, Lemaitre N, Djurado D, Reiss P and Pouget S.
Unraveling the formation mechanism and ferroelastic behavior of MAPbI₃ Perovskite thin films prepared in the presence of chloride.
Chemistry of Materials, 2020.

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