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Accordabilité du gap optique dans des alliages de pérovskite

par JEAN-SEBASTIEN LAURET - publié le , mis à jour le

Accordabilité du gap optique dans des alliages de pérovskite


Les cristaux moléculaires de pérovskites hybrides organique-inorganique de formule chimique CH3NH3PbX3 ou (R-NH3)2MX4 (R un groupe organique, M un métal divalent tel que Pb2+ et X un ion halogène tel que Cl, Br, or I) sont depuis deux ans sur le devant de la scène car ils ont suscité une explosion des performances des cellules photovoltaïques de type Grätzel (Dye-Sensitized Solar Cells) : le rendement des cellules à base de CH3NH3PbI3 atteint aujourd’hui 20% !, rendant celles-ci compétitives avec les cellules silicium, ce qui représente une veritable rupture technologique dans le monde des matériaux pour l’énergie solaire. Cette réussite des pérovskites hybrides est due aux bonnes propriétés d’absorption des longueurs d’onde du spectre solaire, mais aussi au fait que, contrairement aux semiconducteurs organiques, les pérovskites hybrides se sont révélées être bons conducteurs à la fois pour les électrons et pour les trous.


Les pérovskites étant des matériaux qui ont émergé récemment, l’exploration de leurs propriétés physiques représente un champ d’investigation totalement ouvert et extrêmement important pour optimiser les devices. La spécificité de l’équipe Nanophotonique et de ses collaborateurs (J. Even et al, laboratoire FOTON) à l’INSA de Rennes est d’utiliser les méthodes de physique du solide pour décrire les propriétés optiques de ces matériaux moléculaires : structure de bandes, masse effective, gap optique, effets excitoniques, constante diélectrique. 


L’équipe Nanophotonique a réalisé des pérovskites mixtes de type (C6H5-C2H4-NH3)2PbZ4(1-x)Y4x (où Z, Y = I, Br, Cl) qui montrent une accordabilité continue de la longueur d’onde d’absorption et d’émission : cette propriété d’accordabilité est fondamentale pour optimiser l’absorption du spectre solaire. Les résultats expérimentaux ont pu être interprétés en utilisant les modèles de description d’alliage de semiconducteurs inorganiques tels que Ga1-xAlxAs. Ces modèles permettent en outre de remonter à une description des effets excitoniques : on trouve que les excitons présentent un rayon de Bohr beaucoup plus grand que les liaisons Pb-I, ce qui permet de les décrire par un modèle de Wannier comme dans les semiconducteurs inorganiques. 




Figure : Spectres d’absorption de (C6H5-C2H4-NH3)2PbI4(1-x)Br4x et (C6H5-C2H4-NH3)2PbBr4(1-x)Cl4x.


En savoir plus : Room-Temperature Optical Tunability and Inhomogeneous Broadening in 2D-Layered Organic–Inorganic Perovskite Pseudobinary Alloys, G. Lanty, K. Jemli, Y. Wei, J. Leymarie, J. Even, J.-S. Lauret, and E. Deleporte, J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, pp 3958–3963


Contact : Emmanuelle Deleporte