Introduits pour la première fois en 1933 par le physicien soviétique Lev Landau, les polarons sont des quasi-particules utilisées pour décrire les interactions entre électrons et atomes au sein de matériaux solides. Les polarons expliquent un certain nombre de propriétés détenues par plusieurs matériaux et revêtent donc une véritable importance en ingénierie. Les effets polaroniques affectent notamment les semiconducteurs organiques utilisés dans la fabrication des cellules solaires. Jusqu’à maintenant, ces quasi-particules relevaient uniquement du domaine de la modélisation. Mais récemment, une équipe de chercheurs a pu les observer pour la première fois et ainsi confirmer expérimentalement leur existence.
Les polarons sont de brèves distorsions prenant place dans le réseau atomique d’un matériau, qui se forment autour d’un électron en mouvement en une fraction de seconde, puis disparaissent rapidement. Aussi éphémères soient-elles, elles affectent le comportement d’un matériau et peuvent même être la raison pour laquelle les cellules solaires fabriquées avec des pérovskites hybrides au plomb atteignent des rendements extraordinairement élevés en laboratoire.
Des physiciens du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du département de l’énergie et de l’Université de Stanford ont utilisé le laser à rayons X du laboratoire pour observer directement la formation de polarons pour la première fois. Ils ont rapporté leurs découvertes dans la revue Nature Materials.
« Ces matériaux ont pris d’assaut le domaine de la recherche sur l’énergie solaire en raison de leur efficacité élevée et de leur faible coût, mais les gens se demandent toujours pourquoi ils fonctionnent. L’idée que les polarons peuvent être impliqués existe depuis un certain nombre d’années. Mais nos expériences sont les premières à observer directement la formation de ces distorsions locales, notamment leur taille, leur forme et leur évolution », explique Aaron Lindenberg, chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).
L’utilisation des pérovskites dans les cellules solaires
Les pérovskites sont des matériaux cristallins nommés d’après la pérovskite minérale, qui a une structure atomique similaire. Les scientifiques ont commencé à les incorporer dans des cellules solaires il y a environ une décennie, et l’efficacité de ces cellules pour convertir la lumière du Soleil en énergie a régulièrement augmenté, malgré le fait que leurs composants en pérovskite présentent de nombreux défauts qui devraient inhiber le flux de courant.
Ces matériaux sont réputés complexes et difficiles à comprendre, indique Lindenberg. Alors que les ingénieurs les trouvent à la fois efficaces et faciles à fabriquer, amenant la possibilité qu’elles puissent rendre les cellules solaires moins chères que les cellules au silicium d’aujourd’hui, elles sont également très instables, se décomposent lorsqu’elles sont exposées à l’air et contiennent du plomb qui doit être conservé hors de l’environnement.
Des études antérieures au SLAC ont approfondi la nature des pérovskites avec une caméra électronique et des faisceaux de rayons X. Entre autres choses, elles ont révélé que la lumière fait tourbillonner les atomes dans les pérovskites, et elles ont également mesuré la durée de vie des phonons acoustiques qui transportent la chaleur à travers les matériaux.
La dynamique des polarons dans les pérovskites
Pour cette étude, l’équipe de Lindenberg a utilisé la Linac Coherent Light Source (LCLS) du laboratoire, un puissant laser à rayons X à électrons libres qui peut imager des matériaux à des échelles atomiques et capturer les mouvements des atomes se produisant extrêmement brièvement. Ils se sont penchés sur les monocristaux du matériau synthétisé par le groupe du professeur Hemamala Karunadasa à Stanford. Ils ont frappé un petit échantillon du matériau avec la lumière d’un laser optique, puis ont utilisé le laser à rayons X pour observer comment le matériau a répondu.
« Lorsque vous chargez un matériau en le frappant avec de la lumière, comme ce qui se passe dans une cellule solaire, des électrons sont libérés et ces électrons libres commencent à se déplacer autour du matériau. Ils sont ensuite entourés et engloutis par une sorte de bulle de distorsion locale — le polaron — qui les accompagne. Certains chercheurs ont fait valoir que cette « bulle » protège les électrons de la dispersion des défauts du matériau et aide à expliquer pourquoi ils se déplacent si efficacement jusqu’au contact de la cellule solaire pour s’écouler sous forme d’électricité », explique Burak Guzelturk, physicien au Laboratoire national d’Argonne du DOE.
La structure du réseau de pérovskite hybride est flexible et molle ; comme « l’étrange combinaison d’un solide et d’un liquide », et c’est ce qui permet aux polarons de se former et de croître. Les observations ont révélé que les distorsions polaroniques commencent très petites — à l’échelle de quelques angströms —, et s’étendent rapidement vers l’extérieur dans toutes les directions jusqu’à un diamètre d’environ 5 milliardièmes de mètre.
Cela pousse environ 10 couches d’atomes légèrement vers l’extérieur dans une zone à peu près sphérique au cours de dizaines de picosecondes. « Cette distorsion est en fait assez importante, quelque chose que nous ne savions pas auparavant. Bien que cette expérience montre aussi directement que possible que ces objets existent réellement, elle ne montre pas 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 de ces matériaux », conclut Lindenberg.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
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