Torsion sous le stroboscope - Contrôle des réseaux cristallins des matériaux de cellules solaires hybrides avec la lumière térahertz

31.05.2023 - Allemagne

Pour relever les défis énergétiques mondiaux et lutter contre la crise environnementale qui se profile, les chercheurs du monde entier étudient de nouveaux matériaux permettant de 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 base de pérovskite d'halogénure de plomb (LHP). Malgré des prototypes de cellules solaires qui battent des records, l'origine microscopique des performances optoélectroniques étonnamment excellentes de cette classe de matériaux n'est pas encore complètement comprise. Une équipe internationale de physiciens et de chimistes de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck, de l'École polytechnique de Paris, de l'université Columbia de New York et de l'université libre de Berlin a démontré qu'il était possible de contrôler par laser les mouvements fondamentaux du réseau atomique du LHP. En appliquant un brusque pic de champ électrique plus rapide qu'un trillionième de seconde (picoseconde) sous la forme d'un seul cycle lumineux de rayonnement térahertz dans l'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 des atomes permettra de créer de nouvelles propriétés de matériaux hors équilibre, ce qui pourrait fournir des indications pour la conception des matériaux des cellules solaires du futur.

Les matériaux de cellules solaires hybrides LHP étudiés sont constitués d'un réseau cristallin inorganique, qui agit comme des cages périodiques pour accueillir des molécules organiques. L'interaction des charges électroniques libres avec ce réseau hybride et ses impuretés détermine la quantité d'électricité qui peut être extraite de l'énergie solaire. 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 réussi à isoler la réponse du réseau à un champ électrique sur des échelles de temps plus rapides que 100 femtosecondes, c'est-à-dire un dixième d'un trillionième de seconde. Le champ électrique a été appliqué par une impulsion laser intense ne contenant qu'un seul cycle de lumière infrarouge lointaine, dite térahertz (THz). "Ce champ THz est si puissant 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 des expériences.

Grâce à cette approche, les chercheurs observent un mouvement concerté du réseau cristallin, consistant principalement en un mouvement de va-et-vient des blocs octaédriques de la cage inorganique. Ces vibrations excitées de manière non linéaire peuvent conduire à des effets de criblage d'ordre supérieur, négligés jusqu'à présent, contribuant à un mécanisme de protection des porteurs de charge souvent discuté. "En outre, 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", explique le Dr Sebastian Maehrlein, chef du projet de recherche international. Ainsi, au lieu d'un réglage chimique statique des propriétés des matériaux, c'est une conception dynamique ultrarapide des matériaux qui est à notre portée : "Comme nous pouvons maintenant moduler ces angles de torsion par un seul cycle de lumière THz", résume le Dr 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 ces états dynamiques de la matière, les chercheurs espèrent donner quelques indications pour la conception des matériaux énergétiques du futur.

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