Photovoltaïque : un premier dopage pour les pérovskites
Les pérovskites halogénées sont une nouvelle classe de semi-conducteurs d’intérêt pour l’électronique et en particulier pour le photovoltaïque, mais, contrairement au silicium, ils sont très difficiles à doper. Des chercheurs et chercheuses ont obtenu le premier dopage efficace des pérovskites halogénées. Parus dans la revue Materials Horizons, ces travaux ont permis une augmentation de la conductivité de plus de trois ordres de grandeur.
Essentiels aux composants électroniques, les semiconducteurs obtiennent leurs performances grâce au dopage. Il s’agit de remplacer artificiellement certains atomes de leur structure cristalline par des éléments qui cèdent (N) ou capturent (P) des électrons. La formation de jonctions PN permet de contrôler le sens de circulation des électrons. Le dopage est bien maîtrisé dans le cas du silicium, le semiconducteur le plus utilisé, mais reste beaucoup plus complexe dans d’autres matériaux. Par exemple, les pérovskites halogénées sont largement étudiées car, dans des cellules solaires, elles atteignent des rendements de plus de 25 % d’énergie convertie. Ces semiconducteurs récents combinent les performances des semiconducteurs inorganiques aux facilités de fabrication des semiconducteurs organiques, mais le contrôle de leur dopage N et P représente un réel défi. Des chercheurs et chercheuses du laboratoire de l’Intégration du matériau au système (IMS, CNRS/Bordeaux INP/Université de Bordeaux), de l’Institut des sciences moléculaires (ISM, CNRS/Bordeaux INP/Université de Bordeaux) et du Laboratoire Hubert Curien (LabHC, CNRS/Université Jean Monnet) ont réussi le premier dopage N efficace de pérovskites halogénées. Ils ont ainsi pu augmenter la conductivité du matériau de plus de trois ordres de grandeur.
Dans les pérovskites, la structure cristalline tient grâce à des liaisons ioniques et non pas par des liaisons covalentes, comme dans le cas du silicium. Cela bloque les méthodes classiques de dopage, car remplacer un ion par un autre ion capable de libérer (N) ou de capturer (P) un électron de plus romprait l’équilibre avec l’ion inverse auquel il est lié, anion ou cation. Les scientifiques ont trouvé la parade en employant des ions métastables : stable à un certain niveau de charge et encore plus à un second. Ici, du samarium (Sm) a été injecté à la structure cristalline sous forme Sm2+, en remplacement d’ions de plomb (Pb2+). Une fois inséré, le Sm2+ s’oxyde et devient du Sm3+ qui fonctionne comme un dopant N sans altérer la structure cristalline. L’équipe de recherche tente à présent d’obtenir un dopage P afin de créer des jonctions PN, nécessaires pour faciliter l’injection et la collection des charges et améliorer les propriétés photovoltaïques des pérovskites halogénées.
© Molenda et al.
Références
Redox-active ions unlock substitutional doping in halide perovskites
Zuzanna Molenda, Bastien Politi, Raphaël Clerc, Mamatimin Abbas, Sylvain Chambon, Dario M. Bassani and Lionel Hirsch.
Materials Horizons, 10/2023, p.2845-2853
https://doi.org/10.1039/d3mh00663h
Article disponible sur la base d’archives ouvertes HAL