Pérovskites hybrides

Le groupe de projet "Pérovskite" vise à développer de nouveaux dispositifs optoélectroniques à base de pérovskite, dans lesquels les mécanismes d'interaction lumière-matière sont manipulés à l'échelle des sous-longueurs d'onde. Ceci est réalisé en structurant le matériau pérovskite en métasurfaces. Les fonctionnalités et les propriétés physiques des dispositifs pérovskites seront mises en œuvre et/ou améliorées par l'exploration de concepts photoniques innovants tels que la gestion des photons, le régime de couplage fort exciton-photon, l'ingénierie de la dispersion.

Depuis 2013, les matériaux hybrides organique-inorganique à base de pérovskite sont devenus un acteur clé dans les applications de l’optoélectronique, notamment les cellules photovoltaïques, les diodes électroluminescentes, les lasers et les capteurs. Le groupe de projet “Pérovskite” vise à développer de nouveaux dispositifs optoélectroniques à base de pérovskite, dans lesquels les mécanismes d’interaction lumière-matière sont manipulés à l’échelle des sous-longueurs d’onde. Ceci est réalisé en structurant le matériau pérovskite en métasurfaces. Les fonctionnalités et les propriétés physiques des dispositifs pérovskites sont mises en œuvre et/ou améliorées par l’exploration de concepts photoniques innovants tels que la gestion des photons, le régime de couplage fort exciton-photon, l’ingénierie de la dispersion.

Thèmes de recherche

Concepts nanophotoniques pour les cellules solaires pérovskites

La pérovskite est devenue une solution alternative prometteuse dans le domaine du photovoltaïque. Notre approche distinctive est de mettre en œuvre des concepts nanophotoniques pour augmenter les performances des cellules solaires pérovskites, tout en conservant son procédé de fabrication à faible coût et en grande surface (voir Fig.1). Différentes stratégies de gestion des photons (piégeage de la lumière, recyclage des photons, up-conversion) sont combinées pour améliorer le rendement de conversion énergétique des cellules solaires pérovskites à jonction simple et des cellules solaires pérovskites-silicium en tandem.

Nano impression sur perovskite pour application photovoltaïque

a) Procédé de nano-impressions pour structurer la pérovskite. (b) Image au microscope électronique à balayage (MEB) d’une métasurface de pérovskite. (c) Image MEB (vue de côté) d’une cellule solaire de pérovskite dont le matériau active est structurer pour le piégeage de la lumière et le recyclage des photons.

Dispositifs polaritoniques à base de pérovskite

Les excitons-polaritons sont des quasiparticules issues du régime de couplage fort entre les excitons de semiconducteur et les photons de cavités résonantes. Les dispositifs polaritoniques, ayant hérité des meilleures caractéristiques des composants excitoniques et photoniques, sont une plate-forme prometteuse pour étudier la physique fondamentale des bosons en interaction, ainsi que de nouveaux dispositifs tout-optiques. Notre approche originale est d’élaborer des polaritons à température ambiante en couplant les excitons de la pérovskite et les photons de Bloch des métasurfaces périodiques (voir Fig.2.a). En particulier, les propriétés polaritoniques (masse effective, vitesse de groupe, densité d’états …) sont adaptées à la demande par l’ingénierie de dispersion énergie-moment (Fig.2.b,c).

Métasurface excitonique à base de pérovskite

(a) Métasurface excitonique à base de pérovskite. b) Réflectivité (panneau de gauche) et photoluminescence (panneau de droite) résolue en angle d’une métasurface de pérovskite, montrant différents modes polaritoniques. c) Comparaison entre le diagramme de bande expérimental et théorique des modes polaritoniques d’une métasurface de pérovskite.

Dispositifs d’émission basés sur la pérovskite

En tant que semi-conducteur à bande interdite directe, la pérovskite présente des propriétés optiques remarquables pour les dispositifs émetteurs : une bande interdite accordable dans le domaine visible, un rendement quantique de luminescence élevé et une largeur de raie d’émission étroite. Dans ce thème, nous étudions différents mécanismes originaux pour contrôler l’émission en champ lointain des diodes électroluminescentes et des micro-lasers à base de pérovskite (Figs.3) : couplage des boîtes quantiques de pérovskite à des points exceptionnels photoniques, filtrage de l’effet laser aléatoire de pérovskite par cavité verticale, couplage des couches minces de pérovskite à des résonances de Bloch.

Boite quantique perovskite

Émission en champ lointain de boîtes quantiques de pérovskite lorsqu’ils sont couplés à des points exceptionnels photoniques.

Projets

Membres du groupe

  • Coordinateur : Hai Son Nguyen
  • Permanents : Christian Seassal, Erwann Fourmond, Emmanuel Drouard, Céline Chevallie
  • Doctorants :  Florian Berry, Nguyen Ha My Dang, Raphael Mermet Lyaudoz
INL CNRS
Nanoimprint sur couche de perovskite.