Dans le contexte du développement des technologies photovoltaïques, les cellules solaires à base de pérovskites hybrides halogénées (PHH) font l’objet d’intenses études depuis une dizaine d’années. Ces cellules atteignent aujourd’hui des valeurs de rendement de conversion énergétique proches de celles des cellules solaires au silicium, de l’ordre de 25,5 %. Toutefois de nombreux défis restent à relever pour égaler les performances du silicium, notamment en ce qui concerne la stabilité des performances dans le temps, stabilité qui nécessite entre autres la maîtrise des propriétés structurales des couches minces de PHH. Or des questions subsistent par exemple sur l’état de contrainte du réseau cristallin qui compose ces couches minces de PHH et sur son orientation.

Il est bien établi que l'état de déformation de la couche de pérovskite affecte sa stabilité, de même que l'orientation du réseau cristallin affecte potentiellement les propriétés optoélectroniques de la pérovskite. Dans la perspective de maîtriser la microstructure des couches minces de PHH, des chercheurs de l’Irig ont utilisé la diffraction de rayons X (DRX) en laboratoire et la microscopie de rayons X en diffraction sur synchrotron pour identifier et comprendre les mécanismes gouvernant l'état de déformation et l’orientation cristalline de couches minces de MAPbI₃ l’un des matériaux PHH de référence.
Dans un premier temps, les chercheurs de l’Irig se sont intéressés à l’état de déformation de films de pérovskite. Pour cela, ils ont réalisé des mesures de DRX in situ qui leur ont permis de remettre en question l’hypothèse communément acceptée selon laquelle les couches de PHH synthétisées à 100 °C présentent une déformation à température ambiante du fait de la différence entre les valeurs du coefficient de dilatation thermique (CDT) de la PHH et du substrat sur lequel sont déposés les couches minces. Leurs mesures ont en effet mis en évidence la possibilité d’obtention de couches minces de MAPbI₃ complètement relaxées (sans déformations) démontrant ainsi l’absence de corrélation directe entre la différence de CDT et la déformation des films minces.
Dans un second temps, les chercheurs ont étudié l’orientation du réseau cristallin dans ces couches minces par microscopie de rayons X en diffraction à l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF à Grenoble), une technique qui permet de visualiser tous les domaines cristallins présentant une même orientation. Leurs résultats ont permis d’attribuer l’origine de la double texture parfois observée dans les mesures de DRX à la présence de mâcles ferroélastiques (Image) se formant lors de la transition structurale cubique-tétragonal subie par MAPbI₃ vers 57 °C.

Une mâcle est une association de plusieurs cristaux identiques dont les orientations ne sont pas quelconques mais reliées par des opérations de symétrie caractéristiques de la structure cristalline du matériau en question.

Enfin, ces études expérimentales ont été complétées par des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) qui ont montré que l’environnement chimique à l’interface avec le substrat (« première couche » du réseau MAPbI₃ de type MAI ou PbI₂) influence l’orientation de la pérovskite.

Ces différents résultats constituent une avancée importante dans la compréhension de la microstructure des couches de pérovskites hybrides halogénées, ouvrant la voie à la maîtrise de leur état de contrainte et de leur texture, dans le but d’améliorer leurs propriétés optoélectroniques, ainsi que les performances et la stabilité des dispositifs.