LED et cellules photovoltaïques : les états de bord dopent la performance des perovskites

Une équipe de chercheurs franco-américaine vient d'élucider l'origine des performances remarquables de dispositifs à base de pérovskites en couches pour le photovoltaïque et l'émission de lumière. Celle-ci repose sur la conversion spontanée de paires électron-trou, encore appelées excitons, en porteurs de charge libres via des états spécifiques situés sur les rebords des films minces utilisés dans les dispositifs.

Cellules solaires à base de perovskites - Crédit : Oxford University Press Office via Wikimedia Commons

La compréhension et le contrôle du transport de charges électriques et du flux d'énergie dans les semiconducteurs de basse dimensionnalité, tels que les puits quantiques, ont permis l'élaboration de dispositifs opto-électroniques très performants.

Le confinement quantique à l’œuvre dans ces puits conduit habituellement à des charges photo-générées, les paires électron-trou ou excitons, fortement liées par des interactions de Coulomb. Les efforts communs des équipes de Los Alamos, Northwestern, Brookhaven et Rennes (unités FOTON et ISCR) ont montré que ce phénomène est beaucoup plus riche dans les films minces de pérovskites hybrides lamellaires.

On retrouve dans ces matériaux une alternance de couches de molécules organiques (ici le butylammonium), séparées par une couche hybride organique-inorganique où les cavités laissées par les octaèdres PbI6 sont comblées par des cations méthylammonium.

 

Crédit : J.-C. Blancon / Los Alamos National Laboratory

Légende - Les états électroniques situés sur les rebords de pérovskites en couches conduisent à la dissociation des paires électron-trou (encore appelées excitons, boules associées au centre créées par le faisceau jaune), créant ainsi des porteurs de charge libres (boules vertes et bleues sur les rebords). Ce phénomène améliore les performances de cellules photovoltaïques (à gauche) et des LED (à droite).

Quand l'épaisseur de cette couche hybride compte au moins 3 octaèdres, le consortium franco-américain a mis en évidence l'émergence d'états de bord qui permettent la conversion spontanée des paires électron-trou en porteurs de charge libres. Ce phénomène a des implications majeures sur les performances des dispositifs à base de pérovskites en couche, comme démontré dans le cas de cellules solaires et de diodes électroluminescentes.

Référence

Extremely efficient internal exciton dissociation through edge-states in layered 2D perovskites
J.-C. Blancon, H. Tsai, W. Nie, C. C. Stoumpos, L. Pedesseau, C. Katan, M. Kepenekian, C. M. M. Soe, K. Appavoo, M. Y. Sfeir, S. Tretiak, P. M. Ajayan, M. G. Kanatzidis, J. Even, J. J. Crochet, A. D. Mohite.
Science 09 Mar 2017:
eaal4211
DOI: 10.1126/science.aal4211