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Résumé :
Les cristaux de pérovskites hybrides de formule chimique (R-NH3)2MX4 or (H3N-R-NH3)M4, avec R un groupe organique, M un métal divalent tel que Pb2+ and X un ion halogène tel que Cl, Br, or I ont attiré l’attention des chercheurs depuis les années 1990, à cause des propriétés optiques particulières de ce semiconducteur, qui en font de bons candidats pour être incorporés dans les dispositifs opto-électroniques de type OLEDs (Organic Light Emitting Diodes), OFETs (Organic Field Effet Transistors) et plus récemment dans les dispositifs photovoltaïques [1]. Depuis deux ans, les travaux sur les pérovskites hybrides organiques-inorganiques ont suscité une explosion des performances de ces cellules à bas coûts au point de concurrencer en laboratoire les cellules Silicium: en effet, après 2 ans de recherche seulement, le rendement atteint est déjà de 20% ! De plus, un article paru en 2014 [2] montre les capacités de ces pérovskites 3D à émettre de la lumière blanche, ce qui va propulser les pérovskites hybrides comme nouvelle filière pour l’éclairage par OLEDs. Ce matériau représente donc un véritable « breakthrough ».
Dans ce contexte extrêmement actif et en nous appuyant sur notre expertise de 10 ans sur les pérovskites hybrides 2D (R-NH3)2PbX4. nous proposons la synthèse de nouvelles pérovskites hybrides. Tout d’abord, nous proposons de synthétiser des alliages de pérovskites 3D. Un mélange d’halogènes permet de varier continûment le gap de ces semiconducteurs, ce qui est intéressant à la fois pour la collection et l’émission de lumière. La substitution du plomb par un autre cation métallique, divalent ou présentant un autre degré d’oxydation, permettra d’explorer les propriétés de conduction des pérovskites et d’aborder le problème environnemental posé par le plomb.
Pour renforcer la capacité de collection de la lumière solaire par la pérovskite 3D, nous proposons de fonctionnaliser la partie organique du matériau. Forts de l’expérience d’activation des pérovskites 2D par introduction d’un fluorophore dans la structure du cristal moléculaire, et grâce à notre connaissance approfondie de l’auto-assemblage de ces matériaux [4], nous serons capables de trouver les molécules adéquates pour cette fonctionnalisation. L’étude physique des transferts d’énergie dans ce système sera entreprise, en nous appuyant sur la forte expertise en ce domaine de l’équipe du LAC.
Enfin, nous proposons d’explorer des formes différentes du cristal moléculaire pour l’introduction dans les cellules solaires : notamment, il sera intéressant de préparer ces pérovskites 3D sous forme de nanoparticules.
Tous ces matériaux seront caractérisés optiquement au LAC : photoluminescence, spectroscopie d’excitation, expériences résolues en temps et de type pompe-sonde. Les encadrants possèdent par ailleurs de nombreuses collaborations qui permettent d’aborder les propriétés physiques de ce matériau de façon complète : notamment, diffraction X et photoémission à SOLEIL, calcul des structures de bandes à l’INSA de Rennes.
[1] Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured organometal halide persovskites. Science 2012, 338, 643−647.
[2] Dohner, E.R. ; Hoke, E.T. ; Karunadasa, H.I. ; Self-assembly of brodband white-light emitters, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1718−1721. dx.doi.org/10.1021/ja411045r |
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