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Dans les cellules solaires, les matériaux bon marché et faciles à fabriquer, sont appelés pérovskites, et peuvent transformer les photons en électricité. À présent, les pérovskites font le contraire et convertissent les électrons en lumière avec une efficacité comparable à celle des diodes électroluminescentes organiques (DEL) du commerce que l’on trouve dans les téléphones portables et les téléviseurs à écran plat.

Des DEL de pérovskites qui émettent de la lumière

Et dans un aperçu de la façon dont ils pourraient un jour être exploités, des chercheurs ont annoncé la semaine dernière dans Science Advances avoir utilisé une imprimante 3D pour modeler les pérovskites en vue de leur utilisation dans des écrans couleur.
«C’est un résultat fantastique et tout à fait inspirant», déclare Richard Friend, physicien à l’Université de Cambridge au Royaume-Uni, dont l’équipe a créé la première DEL à pérovskite en 2014. Ce résultat laisse espérer que les écrans d’ordinateur et les écrans géants du futur seront composés de ces substances cristallines bon marché, fabriqués à partir d’ingrédients courants. Friend prévient cependant que les nouveaux écrans en pérovskite ne sont pas encore commercialement viables.
Les matériaux des diodes électroluminescentes actuelles à semi-conducteurs, y compris les versions organiques, nécessitent un traitement à haute température dans des chambres à vide afin de garantir que les semi-conducteurs résultants soient immaculés. En revanche, les pérovskites peuvent être préparées simplement en mélangeant leurs composants chimiques en solution à la température ambiante. Un bref traitement thermique suffit pour les cristalliser. Et même si les cristaux de pérovskite finissent par présenter des imperfections, ces défauts ne détruisent généralement pas la capacité de ces matériaux à émettre de la lumière.
Dans la plupart des LED de perovskite, les électrodes pris en sandwich dans le matériau émettant de la lumière qui délivrent des charges – des électrons chargés négativement et des électrons chargés positivement. Lorsque ces charges se rencontrent au centre du sandwich, les électrons remplissent les postes vacants et abandonnent un peu de leur énergie comme des photons de lumière.
La couleur du photon dépend des constituants chimiques du pérovskite, ce qui permet aux chercheurs d’ajuster la couleur en modifiant la recette du pérovskite. Les premières DEL de pérovskite du groupe Cambridge ont brillé dans le proche infrarouge, le rouge ou le vert, selon leur composition. Depuis lors, l’équipe et d’autres groupes ont créé un spectre complet de couleurs.

Des DEL ayant une efficacité de 20,1% en ajoutant une couche de polymère

Les premières DEL de pérovskite ne convertissaient que 0,76% des électrons en photons. En effet, les charges électriques se déplaçant à travers le matériau se sont coincées aux limites entre les innombrables cristallites qui le composent.
Mais de nombreuses équipes ont surmonté cet obstacle. Par exemple, à la fin de l’année dernière dans Nature Photonics, le groupe Friend avait indiqué qu’en ajoutant une couche de polymère émettant de la lumière facilitant la gestion des charges autour des défauts de surface, il avait fabriqué des LED de pérovskite rouges d’une efficacité de 20,1%.
Une équipe dirigée par le chimiste Edward Sargent de l’Université de Toronto au Canada a adopté une approche différente l’année dernière, enrichissant sa recette de pérovskite avec un additif formant des coquilles cristallines autour des cristallites de pérovskite. Les coquilles ont empêché les charges de piéger les défauts, ce qui a donné une LED de pérovskite verte avec une efficacité de 20,3%, a rapporté l’équipe dans Nature . Cela reste bien en dessous de l’efficacité de nombreuses DEL inorganiques, mais c’est probablement suffisant pour certaines applications.
Des chercheurs dirigés par Feng Gao, physicien à l’université de Linköping en Suède, ont rapporté le 25 mars dans Nature Photonics qu’ils avaient mis au point un autre moyen de résoudre le problème des défauts . Ils ont ciblé la tendance des ions plomb situés sur les bords des cristallites de pérovskite à piéger les électrons qui passent. Avec un additif lié au plomb, ils ont réduit l’appétit des électrons pour les ions et ont créé une LED proche de l’infrarouge dont l’efficacité était de 21,6%.
Le rythme des améliorations au cours des 5 dernières années a été «assez exceptionnel», dit Friend. Pourtant, aucun des dispositifs de pérovskite ne survit plus de 50 heures, bien en deçà des 10 000 heures nécessaires à un usage commercial. La raison pour laquelle les cristaux de pérovskite se décomposent après quelques dizaines d’heures n’est pas claire, explique Gao »
« Mais les premières durées de vie ont également affecté les premiers DEL organiques, note-t-il. Et les fabricants de cellules solaires pérovskites ont en grande partie résolu les mêmes problèmes de longévité en protégeant leurs appareils de l’air et de l’humidité. «Je suis optimiste: cette zone peut également se développer rapidement et les DEL à pérovskite peuvent s’améliorer», déclare Gao.

Une imprimante 3D pour pour agencer de minuscules structures en pérovskite en forme de fil

Si c’est le cas, les derniers travaux de chercheurs dirigés par Jennifer Lewis, un scientifique des matériaux à l’Université de Harvard, pourraient signifier de nouvelles stratégies pour la construction de DEL. Lewis et ses collègues ont utilisé une imprimante 3D pour agencer de minuscules structures en pérovskite en forme de fil dans des écrans multicolores. Lorsque l’encre portant les nanofils passait dans la buse de l’imprimante, les forces de cisaillement les alignaient, explique Lewis. L’orientation des nanofils donnait à la lumière de chaque DEL une seule polarisation.
Pour leurs prototypes d’écrans, l’équipe de Lewis n’a pas connecté chaque DEL aux électrodes; au lieu de cela, les chercheurs ont exposé la totalité de l’écran à la lumière ultraviolette (UV). Comme une tension électrique appliquée, la lumière UV redonne aux électrons leur état normal, leur permettant ainsi de se déplacer. Ensuite, ils peuvent se recombiner et émettre de la lumière visible. Mais comme la lumière émise était polarisée, Lewis et ses collègues pouvaient utiliser des filtres polarisants pour la contrôler.
Dans un autre exemple, des chercheurs ont utilisé trois formulations de pérovskite différentes pour créer des affichages dans lesquels chaque pixel contenait côte à côte une tache rouge, verte et bleue, l’orientation des nanofils dans chaque tache étant décalée de 60 °. En faisant pivoter un filtre polarisant, les chercheurs pouvaient mélanger des couleurs ou en isoler une seule couleur.

Il reste beaucoup d’obstacles à surmonter

Selon Sargent, il reste encore beaucoup d’obstacles à surmonter pour les DEL à pérovskite. Mais, ajoute-t-il, «ce travail avance de 10 ans dans l’avenir et montre ce que nous pouvons faire d’intéressant.»
Source : Science
Crédit photo : Pixabay