Une vision sans précédent des propriétés nanométriques des cellules solaires pérovskites grâce à un microscope unique

Les experts du LIST, en collaboration avec leurs collègues suisses de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ont étudié pour la première fois la distribution élémentaire à l'échelle nanométrique de pérovskites mixtes, ce qui est particulièrement pertinent pour l'efficacité et la reproductibilité photovoltaïque. La découverte a été possible grâce à un instrument unique développé par les scientifiques du LIST.

L'instrument HIM-SIMS, combinant microscope à ions hélium (Helium Ion Microscope - HIM) à haute résolution innovant et spectromètre de masse à ions secondaires (Secondary Ion Mass Spectrometer - SIMS), a été développé au cours des dernières années par le LIST. Les chercheurs du groupe de recherche Advanced Instrumentation for Ion Nano-Analytics (AINA) du département Materials Research and technology (MRT) du LIST l’ont plus particulièrement mis au point dans le cadre d'une collaboration majeure avec Carl Zeiss.

Alors que le microscope à ions hélium traditionnel Zeiss fournit des images morphologiques à résolution sub-nm, sa combinaison unique avec les SIMS lui permet d’additionner une imagerie chimique de haute sensibilité des surfaces avec une résolution latérale jusqu'à 10 nm, un facteur d’amélioration de 5 par rapport aux meilleurs instruments SIMS disponibles sur le marché. En parallèle, le LIST a également développé des méthodologies corrélatives permettant de combiner données morphologiques et chimiques dans une seule image.

En unissant leurs forces et en utilisant l’instrument HIM-SIMS, les scientifiques du LIST et de l’EPFL ont ainsi été mesure de réaliser des progrès significatifs et d’obtenir des informations sans précédents sur les propriétés nanométriques des cellules solaires à perovskites à haut rendement. Les photovoltaïques à pérovskites (Perovskite photovoltaics - PV) sont en effet dans la liste des «10 technologies émergentes les plus prometteuses de 2016», vouées à devenir un acteur majeur, dans un avenir proche, d’un paysage énergétique sans carbone, comme alternative peu coûteuse aux panneaux solaires au silicium. Le matériau, constitué de motifs hybrides organiques et inorganiques, est fabriqué à partir de carbone, d'azote, d'hydrogène, d'un métal, tel que le plomb, et d'halogènes, comme l’iodure et/ou la bromure, formant une structure de réseau cristallin 3D.

Généralement, les pérovskites sont déposées sous forme de fine pellicule sur une surface et s'auto-organisent en cristaux qui peuvent ensuite être utilisés pour des cellules solaires efficaces. On ne dispose cependant que de peu d'informations sur la distribution à nano-échelle de leurs différents éléments après l'auto-organisation du matériau, ce qui est pourtant essentiel pour optimiser la photovoltaïque à base de pérovskites.

Les résultats de l'étude permettront d'améliorer, à l'avenir, la fabrication de cellules solaires pérovskites et d’obtenir une meilleure compréhension de la composition des pérovskites à l'échelle nanométrique. Le travail est publié dans le prestigieux Journal of the American Chemical Society sous le nom de "Intrinsic Halide Segregation at Nanometer Scale Determines the High Efficiency of Mixed Cation/Mixed Halide Perovskite Solar Cells". (Lien: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b10049)