Propriétés structurales et dynamiques des pérovskites hybrides organo-plombiques pour les applications photovoltaïques

Structural and dynamic properties of hybrid organolead perovskites for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Afonso Da Cunha Ferreira
• Direction : Jacky Even, Philippe Bourges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 16/06/2020
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....) - Laboratoire Léon Brillouin (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Hehlen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacky Even, Philippe Bourges, Bernard Hehlen, Stéphane Pailhès, Emmanuelle Deleporte, Claudine Katan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Pailhès, Emmanuelle Deleporte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet photovoltaïque

Spectroscopie

Pérovskites

Neutrons -- Diffraction

Mots clés libres

Pérovskites hybrides

Photovoltaïque

Spectroscopie

Diffraction

Neutrons

Hybrid Perovskites

Photvoltaics

Spectroscopy

Neutron diffraction

Résumé

Contrairement aux attentes théoriques et au comportement classique des composés semi-conducteurs classiques, les modes de phonon ne montrent pas de dispersion, ce qui suggère un comportement anharmonique très fort et des effets de localisation. Ce comportement remet en question la validité de l'image de quasi-particule pour décrire les phonons utilisée dans l’interaction des porteurs de charges avec le réseau, c’est-à-dire la compréhension de l'interaction de Fröhlich pour la mobilité des porteurs. Par ailleurs, le recouvrement des modes acoustique avec les modes optiques de basses énergie peut aider à résoudre le paradoxe apparent de la dépendance en température de type phonons acoustiques de la mobilité des porteurs de charge et des processus directs dominants supposés être liés aux phonons optiques. Nos résultats mettent également en évidence le rôle du fort couplage anharmonique acousto-optique (responsable de la faible élasticité) dans la conductivité thermique faible, comme dans des phases vitreuses (glassy like) et l’effet de goulet d’étranglement des phonons dans les HOP. Cette étude expérimentale pourrait également fournir un solide point de départ pour des calculs théoriques permettant de mieux comprendre les propriétés fondamentales de ces matériaux Ce projet se concentre sur l’étude de pérovskites hybrides organo-plombiques (HOP), à savoir MAPbBr3, MAPbI3, FAPbBr3 et α-FAPbI3. Pour ce faire, nous nous appuyons beaucoup sur la spectroscopie de diffusion inélastique de neutrons (INS), car elle permet de sonder systématiquement les propriétés structurales de ces matériaux. Avec ça, nous pouvons présenter une étude détaillée des excitations de réseau cristallin (phonons) dans les quatre composés HOP les plus pertinents sur le plan technologique dans le domaine du photovoltaïque. En mesurant les courbes de dispersion des phonons acoustiques, nous donnons une image claire de la faible élasticité, qui montre une réduction des constantes élastiques dans les composés avec le FA par rapport au MA, et aussi avec l’iode par rapport au brome. L’évolution des paramètres d’élasticité avec le paramètre de réseau permet aussi d’expliquer leurs conductivités thermiques ultra-basses, et de comprendre l’instabilité structurale de FAPI. Nous présentons également ici une comparaison détaillée des excitations optiques dans les quatre composés différents, dans laquelle nous discutons avec soin de l'attribution des modes de vibrations structurales respectives.

In contrast to theoretical expectation and classical behavior in standard semiconductor compounds, the phonon modes show no dispersion, suggesting strong anharmonic behavior and localization effects. This behaviour puts into question the validity of the quasi-particle picture used for phonon simulation and the present understanding of the Fröhlich interaction for carrier mobilities. This may help in solving the apparent paradox of acoustic-like temperature dependence of the charge carrier mobilities and dominant direct processes expected to be related to optical phonons. Our results also highlight the role of the strong acousto-optical anharmonic coupling (responsible for the characteristic low elastic stiffness) in the glassy-like thermal conductivities and hot-phonon bottleneck effect in HOPs. This experimental study could also provide a solid starting point for further theoretical calculations to understand the fundamental properties of these materials. This project focuses on the study of halide organolead perovskite (HOP) compounds, namely MAPbBr3, MAPbI3, FAPbBr3 and α-FAPbI3. To do this, we rely heavily on neutron inelastic scattering spectroscopy (INS), because it allows to systematically probe the structural properties of these materials. As a result, we are able to present a comprehensive investigation of lattice excitations (i.e. phonons) in the four of the most technologically relevant HOP compounds in the photovoltaics field. By measuring dispersion curves of acoustic phonons we give a clear picture of the difference in softness between FA and MA based compounds and how it relates to their structural stability and their ultralow thermal conductivities. We also present here an extensive comparison of optical phonon excitations in the four different hybrid, in which we carefully discuss mode attribution to the respective structural vibrations.