Des cristaux à tout faire

Le mot "pérovskite" décrit un minéral naturel, mais aussi toute une série de composés synthétiques hautement spécialisés qui ont des applications prometteuses, notamment dans l’électronique et le photovoltaïque. Mais quel est leur point commun - Qui les a découverts à l’origine - Et comment les chercheurs de l’Empa les utilisent-ils pour créer des technologies innovantes - Tel est le thème du nouveau numéro de Empa Quarterly.

En 1839, le minéralogiste allemand Gustav Rose a reçu un étrange échantillon de roche des montagnes de l’Oural. Un cristal cubique d’environ sept millimètres de diamètre, composé d’un minéral jusqu’alors inconnu, était incrusté dans la pierre. Il a appelé le minéral nouvellement découvert perovskite, du nom de son parrain, le noble et minéralogiste russe Lev Perovski.

La remarquable structure cristalline de la perovskite a été décrite en 1926 par le scientifique helvético-norvégien Victor Goldschmidt. Elle est basée sur la formule chimique ABX3, où A et B sont des ions chargés positivement - des cations. X est un anion chargé négativement. Dans la perovskite originale, l’oxyde de calcium et de titane, A et B sont respectivement des cations de calcium et de titane, X est un anion d’oxygène.

Mais il est également possible de fabriquer des pérovskites à partir d’autres composants A, B et X. Les perovskites dites à l’halogénure de plomb sont particulièrement connues. Elles contiennent du plomb au niveau du site B et X est un anion halogène comme le chlorure, le bromure ou l’iodure. Le site A contient un grand cation, généralement du césium ou un cation organique comme le méthylammonium ou le formamidinium. Les perovskites à l’halogénure de plomb sont de bons semi-conducteurs dont les propriétés peuvent être contrôlées en faisant varier leur composition exacte. Elles peuvent être fabriquées à partir de produits chimiques et de solvants simples ainsi qu’à partir de masses fondues, par exemple en couches minces ou en grands monocristaux.

Les chercheurs de l’Empa qui développent différentes applications pour les perovskites à l’halogénure de plomb tirent parti de leurs propriétés uniques. En 2014, Maksym Kovalenko et son équipe à l’ETH Zurich et à l’Empa, dont Maryna Bodnarchuk du laboratoire Empa pour les films minces et le photovoltaïque , ont synthétisé pour la première fois de minuscules nanocristaux de pérovskite monodisperses, appelés points quantiques. Ils continuent à travailler intensivement sur le développement de matériaux dans ce domaine. En outre, le groupe de Maksym Kovalenko mène des recherches sur des capteurs d’images à base de perovskites en couches minces ainsi que sur des détecteurs de rayons gamma et de rayons X constitués de couches de monocristaux de perovskite.

L’équipe de Fan Fu, chercheur à l’Empa, se consacre aux cellules solaires en pérovskites , qui se distinguent par leur grande efficacité et leur flexibilité. Le laboratoire des polymères fonctionnels, dirigé par Frank Nüesch, travaille également sur les cellules solaires en pérovskite. En 2020, le laboratoire a donné naissance à la spin-off "Perovskia Solar" , environ 30 ans seulement après la première description des cellules solaires en pérovskite - et 181 ans après que Gustav Rose a tenu le curieux cristal entre ses mains.