Migration des ions à travers la couche de pérovskite en deux dimensions

12 avril 2023

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par l'Académie chinoise des sciences

Le dopage électrostatique a été largement utilisé dans les matériaux de faible dimension, y compris les nanotubes de carbone (CNT) et les matériaux bidimensionnels (2D) tels que le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition (TMD). Contrairement au dopage de réseau conventionnel avec des atomes d'impuretés, il est difficile de réaliser un dopage dans des matériaux à l'échelle nanométrique en raison de l'espace physique limité. Le dopage électrostatique ouvre une voie efficace pour accorder les porteurs de charge dans les matériaux à l'échelle nanométrique sans introduire d'atomes d'impuretés, qui peuvent perturber l'arrangement atomique et dégrader les propriétés électroniques intrinsèques des matériaux à l'échelle nanométrique.

Dans un nouvel article publié dans eLight, une équipe de scientifiques dirigée par les professeurs Sung-Joon Lee et Hung-Chieh Cheng de l'Université de Californie à Los Angeles a développé un dispositif à hétérojonction iodure de plomb méthylammonium (CH3NH3PbI3)/2DSC.

Récemment, les solides ioniques ont été explorés pour créer une jonction pn dans des matériaux 2D monocouches. Les ions mobiles congelés fournissent des champs électrostatiques pour moduler la densité de porteurs du canal semi-conducteur 2D sous-jacent. En raison de la forme bien définie des solides ioniques, le contrôle local du dopage sur les semi-conducteurs 2D (2DSC) permet à diverses conceptions d'intégrer des dispositifs électroniques/optoélectroniques à l'état solide avec une diaphonie minimale.

La manipulation des ions d'argent dans l'iodure d'argent superionique à l'état solide (AgI) a été utilisée pour adapter le type de support des 2DSC afin d'obtenir des transistors, des diodes, des photodiodes et des portes logiques programmables de manière réversible.

Les TMD monocouches ont été largement adoptés dans de nouvelles applications optoélectroniques telles que les diodes électroluminescentes (LED) accordables électriquement, les diodes à jonction pn commandées par grille et les cellules solaires. Cependant, les TMD monocouches présentent certaines limites intrinsèques pour les applications optoélectroniques hautes performances. L'incorporation d'impuretés dopants dans les réseaux 2D atomiquement minces a été fondamentalement limitée par l'espace physique dans les réseaux atomiquement minces.

Il a été un défi persistant d'adapter le type/densité de dopage de charge dans les 2DSC monocouches en utilisant des dopants de réseau sélectionnés. Par conséquent, les photodiodes pn fabriquées à partir de 2DSC sont souvent en proie à des contacts non idéaux du côté p ou du côté n, limitant la tension de circuit ouvert (VOC) réalisable. De plus, l'absorption totale de la lumière et la sensibilité spectrale des 2DSC sont fondamentalement limitées par leur géométrie atomiquement mince. Cela compromet l'efficacité de génération de photoporteurs et l'efficacité quantique externe (EQE) réalisable.

Des efforts considérables ont été consacrés à surmonter ces limitations intrinsèques en s'intégrant de manière hétérogène avec d'autres matériaux optoélectroniques bien connus. Par exemple, l'interfaçage avec des molécules de colorants organiques s'est avéré être une stratégie efficace pour contrôler ses propriétés optoélectriques. Les pérovskites hybrides aux halogénures de plomb (LHP) ont fait l'objet d'une attention considérable pour le photovoltaïque en raison de leurs excellentes performances optoélectroniques et de leur faible coût de fabrication.

Malgré son potentiel extraordinaire, les LHP ioniques à «réseau souple» sont généralement en proie à des migrations d'ions sous polarisation de tension, entraînant une mauvaise stabilité du matériau et une grande hystérésis dans les photocourants dépendant de la tension. La migration d'ions chargés positivement ou négativement pourrait induire une accumulation d'ions ou un déséquilibre de charge ionique sous des champs électriques appliqués. Ici, nous exploitons un tel déséquilibre de charge ionique dans les LHP pour induire un dopage réversible dans les 2DSC à proximité afin de créer des photodiodes hautes performances.

L'iodure de plomb de méthylammonium (CH3NH3PbI3 ou MAPbI3) représente l'exemple le plus important de LHP avec d'excellentes propriétés d'absorption optique et de photoréponse, mais il est gravement affecté par le mouvement ionique. Bien qu'indésirable pour un fonctionnement stable des applications de cellules solaires, l'accumulation de charge ionique provenant de la migration des ions induite par la polarisation dans MAPbI3 peut être exploitée pour doper sélectivement les 2DSC à proximité afin de créer des photodiodes 2D sensibilisées à la pérovskite avec des performances optoélectroniques élevées.

À cet égard, les 2DSC atomiquement minces sont parfaitement adaptés pour un couplage efficace avec les solides ioniques. Ils servent d'agent dopant non covalent pour induire de manière réversible l'effet de dopage reconfigurable de type p ou de type n. Un tel effet de dopage accordable offre en outre une nouvelle classe de photodiodes basées sur 2DSC avec des polarités commutables. Avec l'intégration de van der Waals de solides ioniques avec d'excellentes propriétés optoélectroniques, les diodes 2D formées à partir de l'effet de dopage ionique fournissent un moyen efficace d'extraire les porteurs photogénérés dans MAPbI3.

Plus d'information: Sung-Joon Lee et al, Photodiodes WSe2 sensibilisées à la pérovskite aux halogénures de plomb avec des tensions de circuit ouvert ultra élevées, eLight (2023). DOI : 10.1186/s43593-023-00040-8

Fourni par l'Académie chinoise des sciences