Une nouvelle méthode de fabrication rapproche les dispositifs de pérovskite monocristallins de la viabilité – Technoguide

Les nanoingénieurs de l’UC San Diego ont développé une nouvelle méthode pour fabriquer des pérovskites sous forme de films minces monocristallins, qui sont plus efficaces pour une utilisation dans les cellules solaires et les dispositifs optiques que les formes polycristallines de pointe actuelles du matériau.

Leur méthode de fabrication – qui utilise des processus de fabrication de semi-conducteurs standard – donne des films de pérovskite monocristallins flexibles avec une zone, une épaisseur et une composition contrôlées. Ces films monocristallins présentaient moins de défauts, une plus grande efficacité et une stabilité améliorée que leurs homologues polycristallins, ce qui pourrait conduire à l’utilisation de pérovskites dans les cellules solaires, les LED et les photodétecteurs.

Des chercheurs du laboratoire de nano-ingénierie de la Jacobs School of Engineering du professeur Sheng Xu ont publié leurs résultats le 29 juillet dans Nature.

«Notre objectif était de surmonter les défis liés à la réalisation de dispositifs à perovskite monocristallin», a déclaré Yusheng Lei, un étudiant diplômé en nanotechnologie et premier auteur de l’article. “Notre méthode est la première à pouvoir contrôler avec précision la croissance et la fabrication de dispositifs monocristallins à haut rendement. La méthode ne nécessite aucun équipement ou technique sophistiqué – l’ensemble du processus est basé sur la fabrication traditionnelle de semi-conducteurs, indiquant en outre sa compatibilité avec procédures industrielles existantes. “

Les pérovskites sont une classe de matériaux semi-conducteurs avec une structure cristalline spécifique qui démontrent des propriétés électroniques et optoélectroniques intrigantes, ce qui rend les pérovskites attrayantes pour une utilisation dans des dispositifs qui canalisent, détectent ou sont contrôlés par la lumière – cellules solaires, fibre optique pour la communication ou LED par exemple.

“Actuellement, presque toutes les approches de fabrication de pérovskite sont axées sur les structures polycristallines car elles sont plus faciles à produire, bien que leurs propriétés et leur stabilité soient moins exceptionnelles que les structures monocristallines”, a déclaré Yimu Chen, étudiant diplômé en nanotechnologie et co-premier auteur de le papier.

Le contrôle de la forme et de la composition des pérovskites monocristallines lors de la fabrication a été difficile. La méthode inventée dans le laboratoire de Xu a permis de surmonter cet obstacle en tirant parti des processus de fabrication de semi-conducteurs existants, y compris la lithographie.

«L’électronique moderne comme votre téléphone portable, vos ordinateurs et vos satellites est basée sur des couches minces monocristallines de matériaux tels que le silicium, le nitrure de gallium et l’arséniure de gallium», a déclaré Xu. “Les monocristaux ont moins de défauts, et donc de meilleures performances de transport électronique, que les polycristaux. Ces matériaux doivent être en couches minces pour être intégrés avec d’autres composants de l’appareil, et ce processus d’intégration doit être évolutif, peu coûteux et idéalement compatible avec le normes industrielles existantes. Cela avait été un défi avec les pérovskites. “

En 2018, l’équipe de Xu a été la première à intégrer avec succès les pérovskites dans le processus de lithographie standard industriel; un défi, car la lithographie implique de l’eau, à laquelle les pérovskites sont sensibles. Ils ont contourné ce problème en ajoutant une couche de protection polymère aux pérovskites, suivi d’une gravure à sec de la couche de protection pendant la fabrication. Dans cette nouvelle recherche, les ingénieurs ont développé un moyen de contrôler la croissance des pérovskites au niveau du monocristal en concevant un motif de masque de lithographie qui permet un contrôle dans les dimensions latérales et verticales.

Dans leur processus de fabrication, les chercheurs utilisent la lithographie pour graver un motif de masque sur un substrat de cristal en vrac de pérovskite hybride. La conception du masque fournit un processus visible pour contrôler la croissance de la formation de film cristallin ultra-mince. Cette couche monocristalline est ensuite décollée du substrat cristallin en vrac, et transférée sur un substrat arbitraire tout en conservant sa forme et son adhérence au substrat. Un mélange plomb-étain avec une composition changeant progressivement est appliqué à la solution de croissance, créant une bande interdite électronique graduelle en continu du film mince monocristallin.

La pérovskite réside dans le plan mécanique neutre pris en sandwich entre deux couches de matériaux, permettant au film mince de se plier. Cette flexibilité permet au film monocristallin d’être incorporé dans des cellules solaires à couche mince flexibles à haut rendement et dans des dispositifs portables, contribuant ainsi à l’objectif d’un contrôle sans fil sans batterie.

Leur méthode permet aux chercheurs de fabriquer des films minces monocristallins jusqu’à 5,5 cm sur 5,5 cm carrés, tout en contrôlant l’épaisseur de la pérovskite monocristalline – allant de 600 nanomètres à 100 microns – ainsi que le gradient de composition en la direction de l’épaisseur.

“Simplifier davantage le processus de fabrication et améliorer le rendement de transfert sont des problèmes urgents sur lesquels nous travaillons”, a déclaré Xu. “Alternativement, si nous pouvons remplacer le masque de motif par des couches de transport de support fonctionnelles pour éviter l’étape de transfert, l’ensemble du rendement de fabrication peut être largement amélioré.”

Au lieu de chercher des agents chimiques pour stabiliser l’utilisation des pérovskites polycristallins, cette étude démontre qu’il est possible de fabriquer des dispositifs monocristallins stables et efficaces en utilisant des procédures et des matériaux de nanofabrication standard. L’équipe de Xu espère étendre davantage cette méthode pour réaliser le potentiel commercial des pérovskites.

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