Une technique d’impression de films minces grâce à la capillarité

 

Des films de perovskites d’halogénures métalliques peuvent fournir des dispositifs optoélectroniques comme des cellules photovoltaïques mais il est difficile de contrôler leur morphologie  et leur cristallinité, ce qui est nécessaire pour obtenir des  performances élevées. Des scientifiques du Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia et de l’University of Nebraska-Lincoln, Lincoln, Nebraska, aux USA, ont conçu une technique d’impression exploitant les forces de capillarité. Elle fournit un film de perovskite avec une forte densité de larges grains bien cristallisés ayant une orientation préférentielle.

 

L’utilisation d’un ménisque pour l’impression du film de perovskite cristallin

L’obtention de films minces par de simples procédés d’imprimerie présente beaucoup d’intérêt : faible coût,  grande surface  des films et fortes cadences de production.

La technique d’impression proposée par les chercheurs américains est très particulière. On utilise une solution de précurseurs de  la perovskite FA0.85MA0.15PbI2.55Br0.45 (FA symbolise la formamide et MA le méthylammonium, tous deux cations organiques)  dans un solvant, le DMSO (diméthylsulfoxyde). Ceci constitue une encre d’impression. On maintient cette encre entre une plaque supérieure et un substrat en mouvement de translation. En raison des forces capillaires, un ménisque concave  se forme (Fig.1.).

La capillarité est un phénomène lié aux interactions moléculaires. La surface libre d’un liquide  se courbe au contact d’une paroi solide. On appelle  ménisque cette région courbe. Sa forme dépend de la nature du liquide et de la paroi.

Le substrat est maintenu à la température de 60°C. Au bord du ménisque, le long de la ligne de contact liquide-substrat, l’épaisseur est plus faible,  l’évaporation du solvant est rapide . Ceci entraîne un courant de convection vers l’extérieur du film pour compenser la perte de solvant due à l’évaporation. Ceci va amener des perovskites vers la ligne de contact. C’est un effet analogue à celui qu’on observe avec une goutte de café qu’on laisse s’évaporer et qui laisse après elle  un anneau de dépôt de café.


Fig.1. Impression de films de cristaux de perovskite
a) Schéma du système d’impression du film à l’aide d’un ménisque.
b) Vue de côté du ménisque d’encre confiné entre un substrat en translation et une plaque supérieure fixe.
c) Micrographies optiques montrant l’évolution des grains de perovskite au cours du temps durant la translation du substrat. On observe bien la croissance d’un germe de perovskite en une grosse microstructure à large grain.
Adapté de Meniscus-assisted solution printing of large-grained perovskite films for high-efficiency solar cells
Ming He, Bo Li, Xun Cui, Beibei Jiang, Yanjie He, Yihuang Chen, Daniel O’Nei, Paul Szymanski, Mostafa A. EI-Sayed, Jinsong Huang & Zhiqun Lin
Nature communications 7 jul. 2017, 8:16045 | DOI: 10.1038/ncomms16045
C.C.A . 4.0

 

Au bord du ménisque, il se produit une précipitation du soluté de la perovskite FA0.85MA0.15PbI2.55Br0.45. Ceci entraîne la croissance de gros cristaux au fur et à mesure que le flux de convection apporte de plus en plus de soluté au bord du ménisque, à l’interface substrat solide-soluté-air.

Ce procédé est d’une grande souplesse car il permet de contrôler la densité de nucléation des grains de perovskite en ajustant la hauteur du ménisque, la densité du solvant, la température du substrat et la vitesse de translation de celui-ci.

La vidéo suivante illustre ce mécanisme et correspond aux photos de la Fig.1. c .

Reproduit de Meniscus-assisted solution printing of large-grained perovskite films for high-efficiency solar cells, Ming He, Bo Li, Xun Cui, Beibei Jiang, Yanjie He, Yihuang Chen, Daniel O’Nei, Paul Szymanski, Mostafa A. EI-Sayed, Jinsong Huang & Zhiqun Lin,  Nature communications 7 jul. 2017, 8:16045 | DOI: 10.1038/ncomms16045/SI/ (Supplementary Information) C.C.A . 4.0

Le substrat monté sur un système de translation est entraîné à une vitesse constante de 12 µm/s. Le front d’évaporation balaye donc progressivement tout le substrat. Ceci y  imprime un film continu de gros grains (900 µm) de perovskite. C’est ce qu’on voit sur la vidéo suivante.

Reproduit de Meniscus-assisted solution printing of large-grained perovskite films for high-efficiency solar cells Ming He, Bo Li, Xun Cui, Beibei Jiang, Yanjie He, Yihuang Chen, Daniel O’Nei, Paul Szymanski, Mostafa A. EI-Sayed, Jinsong Huang & Zhiqun Lin, Nature communications 7 jul. 2017, 8:16045 | DOI: 10.1038/ncomms16045/SI/ (Supplementary Information) C.C.A . 4.0

L’étude cristallographique des films minces (900 µm) obtenus par cette méthode montre qu’ils présentent une orientation préférentielle, c’est-à-dire que les cristaux des grains de perovskite ont tous cette orientation. Des cellules solaires fabriquées par dépôt direct d’une couche photo-active de perovskite sur des électrodes adaptées atteignent un rendement voisin de 20%.

 

Ce procédé, qui permet d’assurer la production de films minces de perovskite FA0.85MA0.15PbI2.55Br0.45 denses et uniformes, ouvre la voie à la fabrication à bas coût de matériaux à base de perovskites et, avec ceux-ci, à l’obtention de dispositifs optoélectroniques performants.

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Meniscus-assisted solution printing of large-grained perovskite films for high-efficiency solar cells

Ming He, Bo Li, Xun Cui, Beibei Jiang, Yanjie He, Yihuang Chen, Daniel O’Nei, Paul Szymanski, Mostafa A. EI-Sayed, Jinsong Huang & Zhiqun Lin

Nature communications 7 jul. 2017, 8:16045 | DOI: 10.1038/ncomms16045

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