Les pérovskites à chalcogénures émettent plus de lumière que prévu

Des chercheurs ont prouvé expérimentalement que les pérovskites à chalcogénures possèdent une capacité d’émission lumineuse plus performante que ne l’indiquaient les mesures antérieures. Cette avancée renforce la pertinence de ces matériaux pour le développement futur de cellules solaires, de photodétecteurs et d’autres dispositifs optoélectroniques.

L’équipe dirigée par Mirjana Dimitrievska au sein de l’institut de recherche suisse Empa a collaboré avec des spécialistes du Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie ainsi qu’avec d’autres partenaires. Leurs travaux se sont concentrés sur le sulfure de zirconium et de baryum, un type de pérovskite à chalcogénure dont les propriétés d’émission lumineuse n’avaient jamais été démontrées en laboratoire selon l’Empa.

Ces résultats mettent toutefois en lumière un obstacle technique majeur. Si les monocristaux affichent une émission lumineuse relativement intense, les défauts générés lors de la synthèse et du traitement réduisent considérablement cette propriété dans les couches minces.

Caractérisation de l’émission lumineuse

La définition des pérovskites repose sur leur structure cristalline plutôt que sur une composition chimique unique. Alors que les pérovskites halogénées attirent l’attention pour les applications photovoltaïques, leurs homologues à chalcogénures sont étudiées comme alternatives prometteuses. Elles associent des propriétés optiques et électroniques potentiellement utiles à une stabilité matérielle accrue, utilisant des éléments abondants dans la croûte terrestre.

Jusqu’à présent, l’efficacité d’émission lumineuse de ces matériaux restait théorique. L’Empa indique que cette performance n’avait pas encore fait l’objet d’une validation expérimentale concrète.

Pour analyser le matériau, les scientifiques ont employé des techniques spectroscopiques avancées afin de mesurer la photoluminescence d’un cristal de sulfure de zirconium et de baryum fabriqué au Helmholtz-Zentrum Berlin. La photoluminescence désigne le phénomène par lequel un matériau absorbe de l’énergie puis réémet de la lumière. Les conclusions de l’étude ont été publiées dans la revue Advanced Optical Materials.

Les données recueillies confirment une émission notable provenant du monocristal, en accord avec les prédictions théoriques. En revanche, les couches minces présentent une photoluminescence nettement plus faible. Cette distinction est cruciale, car les matériaux candidats doivent être synthétisés et transformés en structures de dispositifs fonctionnels.

Les imperfections introduites durant ces étapes peuvent perturber les processus électroniques nécessaires à une émission efficace, limitant ainsi la performance globale même si la structure cristalline sous-jacente est favorable. Les observations offrent donc un double constat : le potentiel intrinsèque du matériau semble encourageant, mais les procédés de fabrication nécessitent des améliorations significatives.

Applications au-delà du photovoltaïque

Les chercheurs explorent les pérovskites à chalcogénures pour divers usages, notamment les cellules solaires et les photodétecteurs. Leur stabilité et la disponibilité de leurs composants pourraient en faire des candidats attractifs pour les technologies optoélectroniques, bien que la recherche en soit encore à ses débuts.

Ces nouvelles mesures aident la communauté scientifique à distinguer les limitations propres au matériau de celles résultant de la synthèse ou du traitement. L’analyse spectroscopique permet de déterminer si une performance médiocre provient de défauts internes ou d’autres problèmes affectant le prototype, orientant ainsi les futures optimisations.

L’Empa souligne qu’un travail de développement important reste à accomplir avant que ces pérovskites ne soient prêtes pour des applications pratiques. Les résultats actuels démontrent une émission lumineuse prometteuse dans les monocristaux, sans constituer pour autant une cellule solaire commercialement viable ni une amélioration prouvée de l’efficacité de conversion solaire.

Structures inattendues et perspectives

Le processus de synthèse révèle également un second phénomène d’intérêt. Lors de la production de pérovskites à chalcogénures à partir de leurs éléments constitutifs, de microstructures en forme d’aiguilles à section hexagonale peuvent se former parallèlement au matériau cristallin souhaité.

Considérées auparavant comme des sous-produits indésirables, ces structures manifestent des propriétés optiques inhabituelles, incluant la capacité de polariser, de réfracter et de conduire la lumière de manière distinctive. Elles pourraient aussi présenter un intérêt en tant que supraconducteurs et matériaux quantiques.

Soutenue par la Fondation nationale suisse pour la science via son programme international Weave, l’équipe de Dimitrievska collabore avec l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nürnberg en Allemagne. Ces efforts visent à étudier ces structures, à perfectionner leur synthèse et à mieux comprendre leurs caractéristiques.

À terme, les chercheurs aspirent à intégrer ces matériaux en forme d’aiguilles dans des composants photoniques et électroniques initiaux. Ces deux axes de recherche illustrent comment une compréhension approfondie du comportement des matériaux peut ouvrir de nouvelles possibilités dans le domaine de l’optoélectronique.

Malgré les défis d’ingénierie persistants auxquels font face les pérovskites à chalcogénures, la confirmation expérimentale de leurs propriétés d’émission lumineuse offre une base solide pour décider où investir davantage dans leur développement.