Dans le cadre de la lutte contre la crise environnementale et pour surmonter les défis énergétiques mondiaux, les chercheurs du monde entier s’appliquent à découvrir de nouveaux matériaux capables de transformer la lumière solaire en électricité.
Les semi-conducteurs à base de pérovskite d’halogénure de plomb (LHP) figurent parmi les candidats les plus prometteurs pour les applications de cellules solaires à haute efficacité et faible coût. En dépit de prototypes de cellules solaires aux performances record, l’origine microscopique de l’excellente performance optoélectronique de cette classe de matériaux demeure encore partiellement incomprise.
Les chercheurs* ont appliqué un pic de champ électrique subit, plus rapide qu’un billionième de seconde (picoseconde), sous forme d’un unique cycle lumineux de radiation infrarouge lointain, ou Térahertz (THz), dévoilant ainsi une réponse ultra-rapide du réseau qui pourrait contribuer à un mécanisme de protection dynamique des 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.
Le matériau de cellule solaire LHP étudié comprend une structure cristalline inorganique, qui sert de cages périodiques pour accueillir des molécules organiques. L’interaction complexe des charges électroniques libres avec ce réseau hybride et ses impuretés détermine la quantité d’électricité pouvant être extraite de l’énergie solaire. Une meilleure compréhension de cette interaction pourrait être la clé d’une compréhension microscopique de l’excellente performance optoélectronique des LHP.
Les chercheurs ont été en mesure d’isoler la réponse du réseau à un champ électrique sur des échelles de temps inférieures à 100 femtosecondes, soit un dixième de billionième de seconde. Le champ électrique a été appliqué par une impulsion laser intense contenant seulement un cycle de lumière infrarouge lointain, soit des Térahertz.
« Ce champ THz est si puissant et si rapide qu’il peut imiter le champ électrique local d’un porteur de charge excité juste après l’absorption d’un quantum de lumière solaire, » explique Maximilian Frenzel, un des principaux auteurs de l’expérience.
Grâce à cette approche, les chercheurs observent un mouvement concerté du réseau cristallin, principalement constitué d’un basculement avant et arrière des blocs octaédriques de la cage inorganique. Ces vibrations excitées de manière non linéaire peuvent conduire à des effets de blindage d’ordre supérieur, jusqu’alors négligés, contribuant à un mécanisme de protection du porteur de charge souvent discuté.
« De plus, l’angle d’inclinaison associé joue un rôle prédominant dans la détermination des propriétés fondamentales du matériau, telles que la phase cristallographique ou la bande interdite électronique, » précise le Dr. Sebastian Maehrlein, responsable du projet de recherche international.
Ainsi, au lieu de modifier statiquement les propriétés des matériaux par voie chimique, la conception dynamique ultra-rapide des matériaux devient possible. « Comme nous pouvons maintenant moduler ces angles de torsion par un seul cycle de lumière THz, » résume le Dr. Maehrlein, « nous pourrions à l’avenir contrôler les propriétés des matériaux à la demande, voire découvrir de nouveaux états exotiques de cette classe de matériaux émergents. » En évaluant de tels états dynamiques de la matière, les chercheurs espèrent contribuer à la conception des matériaux énergétiques du futur.«
* Une équipe internationale de physiciens et de chimistes de l’Institut Fritz Haber de la Max Planck Society, de l’École Polytechnique de Paris, de l’Université Columbia de New York et de l’Université Libre de Berlin a mis en évidence le contrôle par laser des mouvements fondamentaux du réseau atomique LHP.
Illustration image : Un seul cycle de lumière laser térahertz intense (rouge) fait rapidement tourner le réseau atomique d’un matériau de cellule solaire hybride organique-inorganique. L’agitation ultrarapide du réseau d’halogénure de plomb qui en résulte est retracée par des instantanés stroboscopiques réalisés à l’aide d’impulsions laser visibles (vert). La réponse observée du réseau fournit de nouvelles informations sur les mécanismes microscopiques de protection des charges électriques et ouvre la voie à un contrôle ultrarapide des propriétés optoélectroniques du matériau. Maximilian Frenzel, FHI
Frenzel, M., et al. (2023). Nonlinear terahertz control of the lead halide perovskite lattice. Science Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.adg3856.
