I&T : Les travaux du projet Gemini, officiellement lancé ce 10 juillet, vont consister à explorer les mécanismes de dégradation des matériaux pérovskites halogénées. Quels sont les facteurs à l’origine de ces dégradation ?
Frédéric Sauvage : En raison de leur structure, ionique et très flexible, tout est un facteur de stress pour ces matériaux-là. L’humidité, l’oxygène, la température, la lumière, le potentiel électrique, etc. Dans le cadre de ce projet, on s’intéresse à tous ces facteurs de stress avec, pour ne pas se disperser, une focale sur le photovoltaïque. Mes activités de recherche se concentrent effectivement vers les matériaux capables de convertir l’énergie lumineuse.
Quelles sont les expérimentations que vous souhaitez mener ?
Un matériau qui reçoit de la lumière va voir ses atomes bouger, se contracter ou se relaxer. C’est comme une éponge au contact de l’humidité : elle gonfle. Et à un moment donné, toute l’énergie accumulée va être dispersée dans le matériau sous forme de vagues : les phonons. Ces ondes vibrationnelles (ou acoustiques), on ne les connaît pas forcément très bien, et on ne sait pas quelles sont leurs conséquences.
Au cours du projet, nous allons essayer d’étudier ces mouvements d’atomes à l’échelle picoseconde (un millième de milliardième de seconde) et observer comment cette énergie s’échappe. Le but étant de comprendre si les phonons contribuent aux propriétés des matériaux pérovskites halogénées et, surtout, à leur dégradation. Est-ce que ces mouvements atomiques sont responsables de la fatigue du matériau ? Si ce n'est pas le cas, il est alors possible de travailler sur la stabilisation des technologies. Si vraiment les phonons sont responsables du vieillissement, il faudra alors agir sur le contrôle de leur dispersion. C’est ambitieux, mais c'est un super challenge scientifique !
Pour mener à bien ces expérimentations, vous allez élaborer un équipement vous permettant des analyses directement en laboratoire. De quoi sera-t-il constitué ?
Au cœur du projet Gemini, il y a un instrument de laboratoire exceptionnel. Cette approche technologique nécessite beaucoup de développement. Il y a des briques existantes, commerciales. Mais il y a des éléments critiques, et la synergie entre toutes ces briques, que nous développons nous-mêmes. Sur les 5 ans du projet ERC, la conception de l’instrument va nous prendre 3 ans. Celui-ci va nous permettre de regarder un matériau lorsqu’il interagit avec la lumière. Il va comprendre une dizaine d’équipements. Nous allons utiliser un laser à haute énergie et un laser à haute fréquence - l'un est déjà acheté et l’autre en cours d’achat. Nous allons travailler sur la manière dont les lasers peuvent communiquer ensemble : il va falloir les synchroniser temporellement. C’est déjà un premier challenge !
Ensuite, il y a les images que l’on va capturer des atomes. Pour ce faire, on utilise des rayonnements X. Il faut donc convertir l’énergie du laser pour obtenir des rayonnements ionisants. Nous développons actuellement une chambre de conversion qui convertit l’énergie lumineuse du laser, dans le visible, en énergie ionisante de rayonnement X à impulsion. Et ça, c’est quelque chose de complètement nouveau. Enfin, il nous faudra également acheter des photodétecteurs, des éléments d’optique, de compression et d’oscillation. C’est un vrai challenge d’utiliser toutes ces briques en même temps !
Les matériaux pérovskites halogénées sont largement connus pour leur utilisation au cœur de systèmes photovoltaïques. Existe-t-il d’autres champs d’application possibles à ces matériaux ?
Les pérovskites halogénées sont une famille de matériaux qui pourrait remplacer la majorité des semi-conducteurs actuels. On voit commencer à apparaître des données indiquant que les pérovskites sont plus sensibles que l’état de l’art en la matière. La radiographie médicale en est un cas concret : la sensibilité des pérovskites halogénées est 10 fois supérieure à celle des semi-conducteurs aujourd’hui utilisés dans ce domaine ! Cela pourrait signifier, avec l’utilisation de pérovskites halogénées, des temps d’exposition potentiellement 10 fois plus rapides ou des acquisitions aux contrastes plus marqués. La promesse des pérovskites halogénées continue de se capitaliser sur des données scientifiques de performance de premier plan, mais il reste toujours cette problématique qui est celle de la stabilité.
