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Photo Induced Collective Properties of Hybrid Halide Perovskites

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Un cristal cubique qui capte et transforme la lumière

L’iodure de plomb méthylammonium ouvre des perspectives pour l’amélioration des cellules solaires, pour l’informatique optique, pour des techniques d’imagerie radiographiques plus sûres, pour des détecteurs de rayonnement hautement sensibles, et pour bien d’autres applications.

Recherche fondamentale

L’iodure de plomb méthylammonium est un cristal de pérovskite caractérisé par de fortes interactions avec la lumière, permettant des applications potentielles dans les cellules solaires et les diodes électroluminescentes (LED). Le projet PICOPROP, financé par l’UE, a entrepris d’étudier ce matériau de manière plus approfondie. «Ces cristaux sont vraiment très intéressants pour le domaine photovoltaïque», explique László Forró, coordinateur du projet. «Lorsqu’ils sont exposés à la lumière du soleil, les photoélectrons produits ont une longue durée de vie.» Cela permet de récolter de fortes concentrations de photoélectrons dans le cristal, et d’obtenir ainsi des cellules solaires dont l’efficacité peut atteindre 25 %. La tendance des photoélectrons à persister longtemps dans le cristal a conduit László Forró à émettre l’hypothèse que les cristaux puissent être dotés de propriétés supraconductrices à des températures relativement élevées. «C’est une sorte de Graal pour nous, car cela signifierait que nous pourrions transmettre de l’électricité sans aucune perte», fait-il remarquer. Un deuxième volet de l’étude, mené à l’École polytechnique fédérale de Lausanne, avait pour objectif de déterminer si des impulsions lumineuses pouvaient permettre aux chercheurs d’ajuster les propriétés magnétiques du matériau. Cela offrirait un moyen bon marché de stocker des données en informatique optique, où ce sont des photons qui sont utilisés, à la place des électrons, pour modifier les bits. «Puisque nous pouvons produire beaucoup de photoélectrons, nous nous sommes demandé si nous pouvions modifier la structure magnétique – et nous l’avons fait», ajoute László Forró. «La démonstration a été splendide, et depuis lors, plusieurs grandes entreprises se sont intéressées à nos recherches.»

Des détecteurs à haute sensibilité

La capacité de l’iodure de plomb méthylammonium à générer de grandes quantités d’électrons lorsqu’il est exposé à la lumière signifie qu’il est également bien adapté à d’autres applications. En faisant croître le matériau sous forme de nanofils, qui sont ensuite attachés à des feuilles de graphène, László Forró et ses collègues sont parvenus à construire un détecteur de lumière suffisamment sensible pour faire de la détection monophotonique. Une telle sensibilité pourrait rendre ce matériau composite très utile dans des applications comme l’imagerie médicale. «Étant donné que nous pouvons détecter facilement les photons, en mesurant simplement le courant des photoélectrons, nous proposons un scanner à rayons X qui n’emploie qu’un très faible flux de rayons X», explique László Forró. «Pour obtenir une qualité d’image similaire, la dose de rayonnement nécessaire est réduite d’un facteur 10 000.» L’iodure de plomb méthylammonium pourrait également remplacer les cristaux de germanium, coûteux et relativement peu sensibles, dans les détecteurs de rayons gamma. «Pour cela, il faut un gros cristal, car les photons gamma sont très énergétiques et peuvent traverser une épaisse couche de matière», note László Forró. «Nous avons donc élaboré une méthode pour faire grossir ces cristaux, parfois jusqu’à 3,8 kg. C’est ce que pèse un nouveau-né!» Deux des chercheurs du projet PICOPROP se consacrent désormais au développement d’une entreprise dérivée qui produit ces cristaux.

La question de la sécurité environnementale

Le principal obstacle à la commercialisation de l’iodure de plomb méthylammonium concerne sa toxicité. «Je ne suis pas un nouveau venu dans ce domaine», explique László Forró. «J’ai immédiatement engagé un biologiste qui étudiait les différents aspects liés aux risques sanitaires de ce matériau.» En collaborant, l’équipe a trouvé un moyen de mélanger la pérovskite avec du phosphate. Dans le cas où un dispositif se brise et est inondé d’eau, le phosphate réagit avec le plomb pour l’immobiliser et éviter tout écoulement toxique. Finalement, László Forró n’est pas parvenu à produire une supraconductivité stable dans l’iodure de plomb méthylammonium, mais il ne se laisse pas décourager. «Il faut rêver pour découvrir des choses vraiment nouvelles», ajoute-t-il. Plusieurs débouchés du projet font actuellement l’objet d’études en vue d’une commercialisation, notamment le détecteur de rayons X, qui a décroché une subvention de la part de l’UE pour une validation de principe. László Forró, qui a atteint l’âge de la retraite en Suisse, s’installe maintenant aux États-Unis en vue d’ouvrir un laboratoire dédié aux matériaux quantiques. Il conclut: «J’ai encore beaucoup d’idées et d’énergie.»

Mots‑clés

PICOPROP, iodure de plomb méthylammonium, photovoltaïque, rayons X, gamma, détecteur, monophotonique, optique, pérovskite, bébé

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