Les perovskites hybrides organiques-inorganiques à base d’étain : propriétés électroniques et optiques pour les applications photovoltaïques

Les matériaux semiconducteurs hybrides organiques-inorganiques, tels que les perovskites hybrides, ont suscité un intérêt croissant dans la recherche sur les cellules solaires et autres dispositifs optoélectroniques en raison de leurs propriétés exceptionnelles. Parmi ces matériaux, les perovskites hybrides organiques-inorganiques présentent un ensemble unique de caractéristiques optoélectroniques attrayantes, telles qu'un gap direct de bande approprié, un coefficient d'absorption élevé, une faible énergie de liaison des excitons, une mobilité élevée des porteurs de charge et une longue durée de vie intrinsèque de la recombinaison des porteurs, ce qui permet d'atteindre une efficacité de conversion de puissance certifiée d'environ 22 % grâce à une méthode relativement simple et peu coûteuse.

Les perovskites hybrides organiques-inorganiques 2D présentent des couches adjacentes faiblement liées entre elles par des forces de Van der Waals, ce qui permet l'exfoliation de feuilles minces de perovskites 2D de l'AMX4 à partir de leur forme volumineuse. Cette structure à couches ouvertes permet également une flexibilité dans le contrôle des propriétés optiques et électroniques de ces matériaux. Par conséquent, des perovskites hybrides à base d'étain (Sn) sont considérées comme une alternative prometteuse et moins toxique au plomb (Pb), utilisé dans les cellules solaires perovskites classiques. En effet, bien que les perovskites à base de Pb aient enregistré des rendements impressionnants, le plomb est toxique pour l'environnement et pour les organismes vivants, et son élimination du corps humain est complexe.

Récemment, plusieurs travaux ont montré que des ions de remplacement comme le Sn, le Ge, le Cu, le Bi, et le Sb peuvent être utilisés pour former des structures de perovskites respectueuses de l’environnement sans Pb. Les perovskites hybrides à base de Sn possèdent des structures cristallines et des bandes d’énergie comparables à celles des perovskites à base de Pb, et plusieurs perovskites hybrides à base d'étain peuvent déjà être synthétisées. Ces perovskites sont particulièrement intéressantes pour les applications photovoltaïques et optoélectroniques.

En ce qui concerne les propriétés optiques, ces perovskites présentent un comportement remarquable en raison de leur capacité à absorber une large gamme de longueurs d'onde de la lumière, ce qui en fait des candidats idéaux pour les cellules solaires et les dispositifs LED. Les travaux sur les perovskites à base d'étain ont montré que les propriétés diélectriques et le coefficient d’absorption des matériaux varient en fonction de leur composition chimique. Par exemple, le CH3NH3SnI3 a montré un comportement optique supérieur par rapport aux autres perovskites à base de Sn étudiées. Cela est dû à la présence de bandes dégénérées à des points spécifiques, qui favorisent une absorption plus efficace de la lumière et une meilleure réponse optique dans le spectre visible.

Les perovskites hybrides à base d'étain présentent donc un potentiel considérable pour remplacer les matériaux à base de Pb dans les dispositifs optoélectroniques de prochaine génération. Cependant, des efforts continus sont nécessaires pour comprendre et optimiser leur comportement électronique et optique, en particulier en ce qui concerne la stabilisation des performances sous des conditions d’exposition prolongée à l'humidité et à la lumière.

La poursuite de la recherche dans le domaine des perovskites hybrides organiques-inorganiques à base d'étain est donc essentielle pour surmonter les défis actuels liés à leur stabilité et à leur efficacité. Une attention particulière doit être accordée à la recherche sur les cations organiques et les interactions anioniques, ainsi que sur l'amélioration des méthodes de synthèse de ces matériaux, afin d’ouvrir la voie à des applications plus vastes et durables dans le domaine des énergies renouvelables et de l’optoélectronique.

Quelles sont les méthodes de synthèse des phases de MoTe2 et leurs applications ?

Le MoTe2, par exemple, peut être synthétisé de différentes manières. La méthode de déposition par phase vapeur chimique (CVD) est particulièrement courante. Cette méthode, utilisée pour produire des films minces de MoTe2 à partir de précurseurs comme le MoO3 et le Te, permet de contrôler précisément les conditions de croissance et d’obtenir des films avec des phases spécifiques, comme la phase 2H ou 1T. Selon les paramètres de température et de quenching (refroidissement rapide), il est possible de favoriser la formation de différentes structures de MoTe2, ce qui influe directement sur ses propriétés électriques et optiques. L'exfoliation mécanique, quant à elle, permet d’obtenir des feuilles de MoTe2 de quelques couches, qui sont ensuite utilisées dans la fabrication de dispositifs à l’échelle nanométrique. La combinaison de ces méthodes de synthèse avec des processus comme l'annealing (recuit thermique) améliore la qualité du film et réduit les défauts, optimisant ainsi les performances des dispositifs électroniques fabriqués.

Outre les méthodes de synthèse, la caractérisation de ces matériaux, en particulier la structure cristalline et les propriétés électriques, est essentielle pour déterminer leur potentiel d’application. Les propriétés électroniques de ces matériaux, telles que la mobilité des porteurs de charge, peuvent être ajustées par des techniques de dopage ou de traitement thermique. Cela permet de concevoir des dispositifs électroniques de plus en plus efficaces, allant des transistors aux mémoires non volatiles, en passant par les applications de stockage d'énergie.

Les applications de ces matériaux ne se limitent pas à l'électronique. Par exemple, le MoTe2, en raison de sa conductivité élevée et de sa capacité à stocker de l’énergie, a été utilisé dans des supercondensateurs hybrides, où il a montré une excellente densité énergétique et une longue durée de vie de cycle. Ce type de dispositif est essentiel pour répondre aux besoins futurs en matière de stockage d’énergie, notamment dans les systèmes de batteries rechargeables et les dispositifs portables. L’utilisation de composites MoTe2/graphène a permis d’augmenter encore les performances de ces dispositifs, combinant la haute conductivité du graphène avec les propriétés spécifiques du MoTe2.

De même, la recherche sur les applications du WTe2 est en pleine expansion, notamment pour son utilisation dans des dispositifs électroniques à faible consommation d’énergie et dans des capteurs avancés. Sa capacité à former des structures bidimensionnelles avec des propriétés électroniques uniques le rend particulièrement intéressant pour la fabrication de transistors à effet de champ à faible consommation, ou pour des applications dans les dispositifs optoélectroniques.

Il est également crucial de noter que la production de films minces de MoTe2 et de WTe2 sur de grands substrats reste un domaine d’intense recherche. L’objectif est de rendre ces matériaux compatibles avec les processus de fabrication industrielle, ce qui nécessitera de surmonter les défis liés à la croissance de films de qualité uniforme à grande échelle. Des progrès dans la maîtrise des conditions de croissance, la réduction des défauts et la gestion de l’interface entre le film et le substrat sont nécessaires pour que ces matériaux atteignent leur potentiel dans des applications commerciales.

Quel est l'impact des molécules organiques et de la contamination des électrodes sur les niveaux d'énergie interfaciaux dans les semi-conducteurs ?

L'étude des interfaces entre molécules organiques et substrats semi-conducteurs, en particulier celles impliquant des phthalocyanines métalliques, a révélé des phénomènes d'alignement des niveaux d'énergie qui jouent un rôle crucial dans le transfert de charge et la formation de dipôles à l'interface. Ce transfert de charge, essentiel pour la formation de dipôles importants à l'interface, ainsi que pour l'apparition d'états de bande et de courbure de bande dans le substrat MoS2, a été particulièrement influencé par la structure et les propriétés des molécules organiques adsorbées.

Une étude récente a mis en évidence l'importance de l'ionisation de ces molécules, comme les FePcFx, et leur rôle dans la modification des caractéristiques électroniques du substrat sous-jacent. Ces interactions entre les molécules et les matériaux topologiques ont ouvert de nouvelles voies pour la manipulation des fermions de Dirac dans des états topologiquement protégés, en particulier dans le domaine de la spintronique. Ce phénomène a été observé de manière marquante avec l'utilisation de CoPc et Bi2Se3, où un décalage de la cone de Dirac a été observé suite à un transfert de charge entre la molécule et la surface topologique, montrant ainsi l'impact direct de l'interaction molécule/substrat.

En matière de dopage des semi-conducteurs organiques, il est reconnu que le contrôle du niveau de Fermi par dopage est essentiel pour les performances des dispositifs. Des études récentes ont montré que l'alignement des niveaux d'énergie entre les molécules hôtes et leurs dopants, mesuré par spectroscopie XPS et UPS, est directement lié à l'efficacité du transport de charge et à la formation des excitons dans les dispositifs. En particulier, la compréhension de l'écart entre l'affinité électronique du matériau de base et le potentiel d'ionisation de son dopant est fondamentale pour optimiser la génération de porteurs libres et, par conséquent, la conductivité des films dopés.

Les expériences de dopage réalisées avec des radicaux comme le benzimidazoline et des molécules comme le C60 et le ZnPc ont permis d'étudier les effets des états de bande induits par dopage et la position du niveau de Fermi. Ces résultats sont essentiels pour la conception de dispositifs électroniques et optoélectroniques de nouvelle génération. Le dopage n'est pas seulement une question d'introduction de nouvelles molécules dans un matériau, mais de gestion précise des interactions au niveau atomique pour optimiser la performance des dispositifs.

Comment les ondes thermoélastiques et les couplages thermochimiques influencent-ils la diffusion dans les milieux semiconducteurs sous excitation photoinduite ?

Les équations fondamentales qui gouvernent la diffusion thermique et la diffusion de masse dans les matériaux semi-conducteurs sous excitation photoinduite intègrent des effets couplés complexes entre la mécanique, la thermique et la chimie du matériau. Le phénomène s’appuie sur une description détaillée de la diffusion thermique non classique avec des temps de relaxation associés, et l’incorporation des forces de Lorentz, qui traduisent les interactions électromagnétiques dans le milieu. Cette modélisation prend en compte les déformations élastiques avec des coefficients thermoélastiques β₁ et β₂, liés respectivement à l’expansion thermique et à la diffusion linéaire.

L’évolution temporelle et spatiale de la densité des porteurs, de la température, de la concentration chimique et des déplacements mécaniques sont décrites par un système couplé d’équations différentielles partielles. Ces équations sont marquées par la présence de paramètres de couplage nouveaux, comme ε₄, le paramètre thermochimique, qui exprime l’effet de la diffusion thermoélastique, et ε₂, le paramètre de couplage thermoénergétique, fonction de la bande interdite énergétique du matériau. Ces couplages révèlent l’interdépendance entre les phénomènes thermiques, mécaniques et chimiques au sein du matériau.

L’élasticité linéaire est étendue par l’incorporation de délais de phase associés aux gradients de température (τθ) et aux flux de chaleur (τq), ce qui signifie que la propagation de la chaleur et des déformations ne suit pas instantanément les variations locales, mais présente un comportement retardé. Cette approche dépasse le cadre classique de Fourier et révèle des comportements ondulatoires, notamment dans la propagation des ondes thermoélastiques.

L’analyse des déplacements mécaniques repose sur la décomposition vectorielle de Helmholtz, permettant de séparer la composante longitudinale et la composante transversale des déplacements dans le plan considéré (xz). Cette formulation mène à un système d’équations couplées où la température, la concentration chimique et la densité des porteurs influencent directement les contraintes mécaniques σxx, σzz et σxz, et inversement.

Pour résoudre ces équations, une méthode d’ondes harmoniques est employée, supposant des solutions à forme ondulatoire dans l’espace et dans le temps. Le système linéarisé permet alors de déduire la condition d’existence de solutions non triviales par l’annulation du déterminant d’une matrice de coefficients complexe, ce qui traduit les modes propres de propagation des ondes couplées. L’équation caractéristique associée est un polynôme en la variable v² (v étant la vitesse des ondes), impliquant plusieurs paramètres de couplage et relaxations, ainsi que l’influence du champ magnétique via la pression magnétique RH.

Cette modélisation révèle que, dans les solides élastiques présentant des vides ou des défauts, il peut exister plusieurs modes d’ondes couplées dilatationnelles et transversales, dont les vitesses sont modifiées par les interactions thermoélastiques et thermochimiques, ainsi que par les champs électromagnétiques. Les paramètres de relaxation, en particulier τθ et τq, jouent un rôle fondamental dans la description du retard de réponse thermique et mécanique, impliquant une complexité temporelle au-delà des modèles classiques.

Il est crucial de comprendre que ces couplages ne sont pas de simples ajouts, mais modifient profondément la dynamique du système. Par exemple, l’effet thermochimique représenté par ε₄ interconnecte la diffusion de la chaleur avec la migration chimique, ce qui influence la stabilité et la réactivité du matériau sous irradiation photoinduite. De même, la force de Lorentz intégrée dans le modèle illustre l’importance des interactions magnétiques, même dans des phénomènes apparemment thermomécaniques.

Au-delà de la complexité mathématique, ces modèles ont une portée pratique considérable. Ils permettent de prédire la réponse dynamique des matériaux semi-conducteurs dans des conditions expérimentales complexes, comme celles impliquant la photothermie et la diffusion induite par des impulsions lumineuses. Cela ouvre des perspectives pour la conception de dispositifs optoélectroniques avancés où le contrôle précis des phénomènes couplés thermoélastiques, thermochimiques et électromagnétiques est indispensable.

Une compréhension approfondie des temps de relaxation et des paramètres de couplage est indispensable pour l’interprétation des résultats expérimentaux et la conception des matériaux à fonctionnalité optimisée. En particulier, la non-instantanéité des phénomènes thermiques et mécaniques, la rétroaction entre diffusion de masse et élasticité, ainsi que l’influence des champs magnétiques, sont des facteurs déterminants pour la stabilité, la fiabilité et la performance des dispositifs.