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Interfaces photovoltaïques

Interfaces photovoltaïques

Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques ont bouleversé vers 2010 le domaine du photovoltaïque à cause de leur bas prix et de leur capacité d’absorption de lumière. Ces pérovskites ont une structure avec des octaèdres inorganiques MX62-, où M est un métal divalent (notamment le Pb2+) et X est un halogène ; dans les interstices entre les octaèdres se trouvent des molécules organiques. Depuis que ces pérovskites ont été proposées pour le photovoltaïque en 2009 avec une efficacité de 3,8%, leur rendement a été multiplié par plus d’un facteur cinq en quelques années ! Ce succès technologique sera sans doute encore plus grand grâce à la bonne compréhension des propriétés fondamentales, notamment la détermination expérimentale de la structure électronique qui régit les capacités d’absorption et de transport des porteurs de charge, ainsi que la réponse dynamique à la photoexcitation.

Structure de bandes et transition de phase tétragonale/cubique

Une de plus prometteuse pérovskites pour les cellules solaires est CH3NH3PbI3, MAPbI3 ou MAPI. Sa structure de bande expérimentale était assez méconnue jusqu’à nos mesures avec résolution en vecteur d’onde. Par ailleurs, nos résultats montrent que le poids spectral de la photoémission suit la périodicité de la phase cubique de haute température (au dessus 50°C) même lorsque le système se trouve structurellement dans une phase tétragonale. Cela explique l’insensibilité des cellules solaires à la transition structurelle tétragonale-cubique, même si elle a lieu dans leur gamme de température de fonctionnement.

Structure de bandes de MAPI avec résolution en vecteur d’onde. La mesure est effectuée à 170 K, dans la phase tétragonale. Au lieu de suivre la symétrie de la phase tétragonale, le poids spectrale suit plutôt celle de la phase cubique de haute température. Figure de Min-I Lee et al. J. Phys. D : Appl. Phys. 50, 26LT02 (2017).

Dynamique de relaxation électronique sub-picoseconde

La dynamique de relaxation électronique est particulièrement importante dans les cellules solaires. Si les porteurs de charge se désexcitent très rapidement, ils ne pourront pas être extraits du matériau vers un circuit extérieur ce qui va à l’encontre des rendements photovoltaïques élevés. La photoémission à deux photons permet d’étudier précisément la dynamique de relaxation électronique et simuler l’effet de l’absorption d’un photon du soleil. Un premier photon excite d’abord le système et peuple la bande de conduction, puis un second photon avec un certain décalage temporel par rapport au premier, étudie la dynamique de relaxation. Nos mesures indiquent, parmi d’autres résultats, que les défauts induits par recuit piègent les électrons en quelques picosecondes, ce qui est en accord avec la diminution du rendement des cellules solaires vieillissantes de ce matériau.

Diagramme de l’intensité photoémise en fonction de l’énergie cinétique et du délai pompe-sonde pour (a) un échantillon sans traitement térmique (a), et des échantillons recuits à (b) 100°C et (c) 200°C. Figure de Z. Chen et al., Phys. Rev. Mat. 1, 045402 (2017). Copyright 2017 de l’American Physical Society.