Detailed Characterization of Methylammonium and Formamidinium Bismuth Iodide Perovskite Thin Films, Focusing on Electrical Properties for Optoelectronic Applications

Dans le monde de l'énergie solaire, les scientifiques cherchent depuis longtemps des matériaux capables de capturer la lumière du soleil et de la transformer en électricité plus efficacement que les panneaux de silicium actuels. Pendant des années, une famille de matériaux connus sous le nom de pérovskites a montré un grand potentiel, mais beaucoup des plus performants contiennent du plomb, un métal toxique qui pose des risques environnementaux et sanitaires. Cela a poussé les chercheurs à chercher des alternatives sans plomb, plus sûres, qui possèdent néanmoins la même capacité à conduire des charges électriques. Parmi les candidats les plus prometteurs figurent des composés composés de bismuth, un métal beaucoup moins toxique. Cependant, le simple fait de remplacer le plomb par le bismuth modifie le comportement du matériau. Pour rendre ces nouveaux matériaux utiles, les scientifiques doivent comprendre exactement comment l'électricité circule à travers eux, comment ils absorbent la lumière et comment leurs structures cristallines internes sont organisées. Le défi réside dans le fait que ces matériaux sont complexes ; leur performance dépend fortement des atomes spécifiques utilisés pour les construire et de la manière dont les fines couches du matériau sont fabriquées.

Une équipe de chercheurs issus d'universités de Slovénie et de Macédoine du Nord s'est donné pour mission d'étudier deux versions spécifiques de ces matériaux à base de bismuth. Ils se sont concentrés sur des composés où les atomes de bismuth et d'iode sont associés soit au méthylammonium, soit au formamidinium, qui sont de petites molécules organiques agissant comme des espaceurs structurels au sein du cristal. Les chercheurs ont créé ces matériaux en laboratoire, en les faisant d'abord croître sous forme de cristaux solides, puis en les transformant en films très minces et uniformes sur des lames de verre, un processus essentiel pour les transformer en cellules solaires. En examinant attentivement ces films, l'équipe visait à déterminer leurs propriétés optiques, telles que l'énergie nécessaire pour libérer un électron, ainsi que leur comportement électrique, plus précisément la facilité avec laquelle les charges peuvent se déplacer à travers le matériau à différentes températures.

L'équipe a commencé par confirmer qu'elle avait réussi à créer les structures chimiques correctes. En utilisant la diffraction des rayons X, une technique qui révèle l'arrangement des atomes en faisant rebondir des rayons X sur un échantillon, ils ont vérifié que les cristaux formaient les motifs attendus. Ils ont également examiné les films sous de puissants microscopes pour vérifier la qualité de leur surface. Les images ont montré que les deux types de films étaient lisses et continus, sans grandes lacunes ni fissures, ce qui est crucial pour qu'un dispositif fonctionne bien. Une différence subtile est apparue : le film fabriqué avec les molécules de formamidinium semblait légèrement plus régulier et ordonné en surface que celui fabriqué avec le méthylammonium, suggérant que la taille et la forme de la molécule organique influencent la façon dont le cristal se stabilise lors de la fabrication. L'analyse chimique a confirmé que le rapport entre les atomes de bismuth et d'iode était exactement celui prédit, garantissant que les matériaux étaient purs et exempts d'impuretés indésirables.

Ensuite, les chercheurs ont mesuré comment ces films interagissent avec la lumière. Lorsque la lumière frappe un matériau, elle peut être absorbée si la lumière transporte suffisamment d'énergie pour pousser un électron dans un état où il peut se déplacer et transporter un courant. L'équipe a constaté que les deux matériaux absorbent très bien la lumière, particulièrement dans les parties bleues et vertes du spectre visible, ce qui donne aux films une couleur orange ou rouge foncé distincte. En analysant les données d'absorption, ils ont calculé le gap énergétique, qui est la quantité minimale d'énergie requise pour libérer un électron. Ils ont déterminé que la version au méthylammonium possède un gap de 1,98 électron volt, tandis que la version au formamidinium possède un gap légèrement plus petit de 1,74 électron volt. Cette différence est significative car un gap plus petit permet au matériau de récolter une gamme plus large de lumière solaire. Les données ont indiqué que les deux matériaux se comportent comme des semi-conducteurs indirects, un type spécifique de comportement où le mouvement des électrons implique un changement de quantité de mouvement, rendant le processus légèrement plus complexe que pour les semi-conducteurs directs.

Pour comprendre comment l'électricité voyage réellement à travers ces films, l'équipe a réalisé une spectroscopie d'impédance, une méthode qui mesure la résistance du matériau au flux de courant électrique sur une large gamme de fréquences et de températures. Ils ont observé qu'à mesure que la température augmentait, la résistance du matériau diminuait, un comportement typique des semi-conducteurs où la chaleur aide à libérer les porteurs de charge. Les mesures ont révélé que le mouvement de l'électricité n'est pas fluide et continu, mais qu'il se produit via un mécanisme de « saut ». Dans ce processus, les charges sautent d'un point localisé à un autre, surmontant de petites barrières énergétiques en cours de route. Les chercheurs ont calculé que l'énergie requise pour ces sauts est d'environ 0,5 électron volt pour les deux matériaux. Cette valeur est plus élevée que ce que l'on observe typiquement dans les pérovskites à base de plomb, suggérant que, bien que les matériaux à base de bismuth soient plus sûrs, ils déplacent actuellement les charges plus lentement.

L'étude a également révélé des détails sur l'origine de la résistance au sein du matériau. Les signaux électriques ont indiqué que les limites entre les minuscules cristaux, ou grains, qui composent le film sont plus résistives que les grains eux-mêmes. Cela signifie que le chemin de moindre résistance est souvent bloqué par les interfaces où ces cristaux se rejoignent. De plus, la relaxation des charges électriques, ou la rapidité avec laquelle elles répondent à un champ changeant, ne suivait pas un schéma simple et uniforme. Au lieu de cela, les charges présentaient un éventail de temps de réponse, indiquant un environnement interne complexe avec de nombreux types d'obstacles. Malgré ces obstacles, les chercheurs ont confirmé que les matériaux possèdent les propriétés fondamentales nécessaires aux dispositifs optoélectroniques. Ils ont conclu que, bien que les films à base de bismuth ne soient pas encore aussi efficaces que leurs homologues à base de plomb, leur stabilité et leur faible toxicité en font de solides candidats pour un développement futur, surtout si les scientifiques parviennent à améliorer les connexions entre les cristaux pour permettre à l'électricité de circuler plus librement.