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.

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 (voir Fig.1). 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, et l’ingénierie de la dispersion.

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Fig. 1 : En haut : Deux technologies développés à l’INL pour structurer les couches de HOP en métasurface: (gauche) Infiltration de solution de pérovskite dans un substrat préstructuré, (droite) Nan impression thermique. En bas : Une cellule solaire de pérovskite fabriquée à l’INL, avec la couche pérovskite structurée en métasurface pour piéger la lumière.

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. Comme illustré sur la Fig.2, la gestion de lumière dans les cellules solaires pérovskites est le résultat de trois considérations interdépendantes : l’ingénierie photonique à l’échelle de longueur d’onde, les choix des matériaux, et les procédés de fabrication. Ces deux derniers points imposent directement l’architecture de la cellule solaire, tandis que le premier aide à améliorer la façon dont les photons sont « utilisés » dans les dispositifs. 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 photovoltaïques pérovskites à jonction simple, des cellules pérovskites-silicium en tandem et enfin des tandems tout-pérovskite [1].

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Fig. 2 : Les trois aspects corrélés qui gouvernent la gestion de lumière dans les cellules solaires pérovskites.

Dispositifs polaritoniques à base de pérovskite avec le concept de metasurface excitonique

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 2D et les photons de Bloch des métasurfaces périodiques (voir Fig.3.a). En particulier, la partie réelle (i.e. énergie) et la partie imaginaire (i.e. perte) des modes polaritoniques peuvent être tous les deux contrôlées via le design de la métasurface excitonique. Pour la partie réelle, les propriétés polaritoniques comme la masse effective, la vitesse de groupe et la densité d’états sont adaptées à la demande par l’ingénierie de dispersion énergie-moment (Fig.3.b) [2]. Pour la partie imaginaire, les pertes radiatives de polaritons de pérovskite peuvent être supprimées grâce au concept de l’état lié dans un continuum (Bound State in the Continuum, BIC), donnant lieu aux vortex de polarisation de l’émission polaritonique (Fig.4) [3]. Nous avons aussi étudié le régime de couplage fort entre les excitons de pérovskite 2D et les configurations photoniques exotiques (inversion de bande, points exceptionnels) pour les effets topologiques perspectives [4].

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Fig.3. (a) Régime de couplage fort dans un métasurface excitonique (b) Ingénierie de dispersion polaritonique dans les métasurface excitonique. Les panels gauches sont des simulations numériques, et les panels droits sont des résultats expérimentaux. Le régime de couplage fort est démontré par l’observation de l’anti-croisement. [2]

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Fig.4. (a) Vortex de polarisation de l’émission polaritonique issue du couplage fort entre les excitons de pérovskite et un BIC photonique. (b) Résultat expérimental et (c) simulation numérique de pattern de polarisation d’un BIC polaritonique. [3]

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. 5 et 6) : couplage des couches minces de pérovskite à des résonances de Bloch [5], couplage des boîtes quantiques de pérovskite à des points exceptionnels photoniques [6], filtrage de l’effet laser aléatoire de pérovskite par cavité verticale [7]…

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Fig.5. Émission en champ lointain des couches de pérovskite plats et structurés [5].

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Fig.6. Émission en champ lointain des boîtes quantiques de pérovskites couplés avec les points exceptionnels photoniques dévoile l’augmentation de la densité d’état aux points exceptionnels. [6]

Projets

Membres du groupe

  • Coordinateur : Hai Son Nguyen
  • Permanents : Christian Seassal, Erwann Fourmond, Emmanuel Drouard, Céline Chevalier, Mohamed Amara, Sébastien Cueff
  • Doctorants :  Florian Berry, Nguyen Ha My Dang, Raphael Mermet Lyaudoz

Références

[1] “ Light Management in Perovskite Photovoltaic Solar Cells: a perspective », Advanced Energy Materials (accepted), preprint: https://arxiv.org/pdf/2203.13891

[2] “Tailoring dispersion of room-temperature exciton-polaritons with perovskite-based subwavelength metasurfaces”, Nano Letters 20 (3), 2113-2119 (2020), preprint: https://arxiv.org/pdf/2001.06801

[3] “Realization of Polaritonic Topological Charge at Room Temperature Using Polariton Bound States in the Continuum from Perovskite Metasurface”, Advanced Optical Materials 2102386 (2022), preprint: https://arxiv.org/pdf/2110.15785

[4] “Engineering a light–matter strong coupling regime in perovskite-based plasmonic metasurface: quasi-bound state in the continuum and exceptional points”, Photonics Research 8 (12), A91-A100 (2020), open acess: https://doi.org/10.1364/PRJ.404743

[5] « Multiscale Simulation for Visible Light Communication using Perovskite Metasurface, » 2021 17th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), 2021, pp. 1-6, preprint: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03443483/document

[6] “Unveiling the Enhancement of Spontaneous Emission at Exceptional Points”, preprint: https://arxiv.org/pdf/2203.02245

[7] “Directing random lasing emission using cavity exciton-polaritons”, Optics Express 20 (3), 2113-2119 (2020), open acess: https://doi.org/10.1364/OE.410249

INL CNRS
Nanoimprint sur couche de perovskite.
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