Pour la première fois, des physiciens ont pu observer comment se forment et évoluent des polarons. Des polarons ? Ce sont des distorsions fugaces dans le réseau atomique d’un matériau et qui apparaissent en parallèle des déplacements d’électrons. Des distorsions qui pourraient expliquer l’efficacité des pérovskites comme matériaux pour les cellules solaires.
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Autour d'un électron en mouvement au cœur d'un matériau, il se forme des distorsions extrêmement éphémères -- qui se maintiennent sur des durées de l'ordre du trillionième de seconde seulement -- dans le réseau atomique. Des polarons, comme les appellent les physiciensphysiciens. Et ces polarons peuvent affecter le comportement du matériau dans lequel ils apparaissent. Ils sont notamment suspectés d'être à l'origine de l'efficacité des cellules pérovskites à convertir l'énergie solaire en courant électriquecourant électrique.
Le saviez-vous ?
Les pérovskites sont des matériaux cristallins nommés d’après la pérovskite minérale qui présente une structure atomique similaire. Voici une dizaine d’années que les scientifiques ont commencé à les incorporer dans des cellules solaires, car ils sont bon marché et faciles à fabriquer. L’efficacité de ces cellules a régulièrement augmenté mais sans que les chercheurs ne comprennent vraiment pourquoi.
C'est pourquoi des chercheurs du Laboratoire national de l’accélérateur SLAC (États-Unis) ont décidé de mobiliser un puissant laserlaser rayons Xrayons X à électrons libres pour observer et mesurer, pour la première fois, la formation de tels polarons dans des pérovskitespérovskites hybrideshybrides au plombplomb. Celui-ci permet en effet de capturer les mouvements se produisant en millionième de milliardième de seconde. Ils sont ainsi parvenus à déterminer les tailles et les formes des polarons dans des monocristaux de pérovskites, et à suivre leur évolution.
« Lorsque vous frappez le matériau avec de la lumièrelumière [ici, un laser optique], comme ce qui se passe dans une cellule solaire, des électrons sont libérés et ils commencent à se déplacer, explique Burak Guzelturk, chercheur, dans un communiqué. Rapidement, ils sont enveloppés par une sorte de bulle de distorsion locale qui les accompagne. » Les fameux polarons qui pourraient les protéger de la dispersion des défauts du matériau, les aidant à se déplacer avec plus d'efficacité.
Des polarons plus grands que ne le pensaient les chercheurs
C'est la structure flexible et molle du réseau de pérovskite hybride qui permet aux polarons de se former et de se développer. Les observations des chercheurs du Laboratoire national de l'accélérateur SLACSLAC révèlent que ces distorsions commencent à l'échelle de quelques angströms -- des longueurs de l'ordre de l'espacement entre les atomes dans un solidesolide. Elles grossissent ensuite rapidement dans toutes les directions jusqu'à atteindre un diamètre d'environ 5 milliardièmes de mètre.
Cette multiplication par 50 de la taille du polaron pousse environ dix couches d'atomesatomes vers l'extérieur. Le tout en quelques dizaines de picosecondespicosecondes. « Ces distorsions atteignent des dimensions plus grandes que ce que nous attendions », commente Aaron Lindenberg, physicien à l'université de Stanford.
“Il reste encore du travail”
L'expérience menée par les chercheurs du Laboratoire national de l'accélérateur SLAC démontre de manière directe, l'existence des polarons. « Mais elle ne nous explique pas encore comment ils contribuent à l'efficacité d'une cellule solaire. Il reste encore du travail à faire pour comprendre comment ces processus affectent les propriétés des matériaux », conclut le physicien.
