Structural and dynamic properties of hybrid organolead perovskites for photovoltaic applications
Propriétés structurales et dynamiques des pérovskites hybrides organo-plombiques pour les applications photovoltaïques
Résumé
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.
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 quasiparticle
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.
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.
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’està-
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
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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