Les semi-conducteurs hybrides organiques-inorganiques à base de pérovskite suscitent un vif intérêt en raison de leurs excellentes propriétés optoélectroniques et sont largement utilisés dans les cellules solaires, les cellules photoélectrochimiques, les lasers et les diodes électroluminescentes (DEL). Parmi ceux-ci, les DEL à base de pérovskite (en particulier celles utilisant CH₃NH₃PbBr₃) constituent un domaine de recherche très prometteur depuis une dizaine d'années. Cependant, les états piégés (notamment aux interfaces) limitent fortement les performances et la stabilité des DEL à base de pérovskite. Ces états d'énergie localisée dans la bande interdite piègent et libèrent des porteurs de charge, réduisant ainsi la mobilité des porteurs, augmentant la recombinaison non radiative et entraînant une diminution du rendement du dispositif. Les états piégés dans les DEL à base de pérovskite proviennent principalement des joints de grains, des défauts intrinsèques et des interactions interfaciales. Par exemple, certains défauts ponctuels, tels que les lacunes d'halogène et les lacunes de site A, les antisites plomb-halogène et les interstices d'halogène, peuvent induire des pertes non radiatives. Les lacunes d'halogène forment des sites chargés positivement, introduisant des états de défaut dans la bande interdite, piégeant ainsi les électrons et neutralisant les trous, ce qui conduit à une recombinaison électron-trou assistée par piège, réduisant considérablement l'efficacité du dispositif.
Wu et al. ont précédemment fourni des preuves directes de l'existence de tels pièges dans les couches minces de pérovskite d'iodure de plomb et de méthylammonium par spectroscopie photoélectronique ultraviolette. Inversement, un excès d'halogènes dans l'environnement peut entraîner la formation de couches superficielles riches en halogènes, induisant un effet d'autopassivation, favorisant la génération d'excitons et augmentant le taux de recombinaison radiative. La recombinaison non radiative assistée par les pièges est un facteur majeur de perte d'efficacité lumineuse, en particulier à faibles densités de porteurs. Outre la promotion de la recombinaison, les états piégés peuvent également servir de voies de migration ionique, aggravant ainsi la dégradation des performances du dispositif. Un autre problème majeur est le déséquilibre de l'injection de porteurs dans les diodes électroluminescentes à pérovskite, conduisant à une accumulation de porteurs à l'interface, déclenchant une recombinaison non radiative et une forte extinction de la luminescence. Pour résoudre ce problème, l'équilibrage de la mobilité des porteurs entre la couche de transport d'électrons et la couche de transport de trous s'est avéré une stratégie efficace pour garantir une injection de porteurs équilibrée au sein des diodes électroluminescentes à pérovskite. De plus, la migration ionique induite par le champ électrique exacerbe ces difficultés, entraînant des comportements anormaux tels que l'hystérésis du photocourant, l'hystérésis courant-tension, l'inversion de polarité du dispositif et une constante diélectrique statique anormalement élevée. La migration ionique aggrave également la formation et l'activation d'états piégés, amplifiant leurs effets néfastes sur les performances du dispositif.
L'équipe de recherche a précédemment démontré que la passivation par des organochlorés (comme le chlorure de choline) permet de supprimer efficacement la migration ionique et de réduire les états piégés dans les LED à pérovskite, améliorant ainsi la stabilité spectrale et les performances du dispositif. Des études récentes ont confirmé l'efficacité des stratégies de passivation des défauts pour améliorer le rendement des dispositifs en réduisant les états piégés et la migration ionique. Par exemple, Xu et al. ont démontré la réalisation de LED à pérovskite bleu profond à couleur stable grâce à l'ingénierie des organochlorés, la clé résidant dans la réduction des états piégés et de la migration ionique. De même, Yun et al. ont souligné les défis posés par la migration ionique et les états piégés dans les LED à pérovskite de bromure de césium et de plomb bleues et ont proposé l'utilisation de bromhydrate d'hydrazine pour l'ingénierie de la composition afin de contrôler les niveaux de défauts et de réduire le couplage des phonons, améliorant ainsi le rendement du dispositif. Cependant, ces études se concentrent principalement sur l'ingénierie des matériaux et n'explorent pas directement la dynamique des porteurs interfacials ni n'analysent quantitativement la recombinaison assistée par les pièges. De plus, bien que les stratégies de passivation des défauts aient démontré leur capacité à supprimer la migration des ions, leur impact sur l'équilibre de l'injection de charge reste à explorer en profondeur.
Des chercheurs de l'Université nationale Cheng Kung de Taïwan, dirigés par Tzung-Fang Guo, ont utilisé la spectroscopie d'admittance pour étudier les états piégés, la dynamique d'interface et la dynamique des porteurs dans les diodes électroluminescentes (DEL) à pérovskite à base de CH₃NH₃PbBr₃. Ils ont ainsi exploré comment la passivation des défauts par le chlorure de choline améliore la dynamique des porteurs à l'interface. Cette technique permet d'étudier le comportement électrique du dispositif et de révéler comment les états piégés influencent la capacité, l'injection de porteurs et les processus de recombinaison, des aspects cruciaux pour améliorer l'efficacité et la stabilité du dispositif. L'étude démontre qu'une passivation efficace des défauts supprime significativement la recombinaison non radiative, atténue la migration ionique et assure une injection et un transport de charges plus équilibrés. Pour analyser ces effets, la capacité en fonction de la tension, les relations luminance-capacité-tension et la capacité en fonction de la fréquence ont été calculées et évaluées. Ces analyses montrent que les dispositifs passivés présentent une densité de pièges réduite, une polarisation ionique atténuée et une recombinaison radiative accrue, confirmant ainsi l'amélioration de la dynamique des porteurs à l'interface. Contrairement aux études précédentes qui se concentraient principalement sur les tendances de performance des dispositifs et sur une caractérisation électrique complémentaire, cet article privilégie une analyse diagnostique basée sur la spectroscopie d'admittance. L'analyse a été étendue aux fonctions de réponse en fréquence et aux cartographies de la région de polarisation, et la réponse des pièges à électrons a été clairement distinguée de la contribution ionique, plus lente, fournissant ainsi une explication plus mécaniste de l'accumulation, de la recombinaison et de la stabilité des charges.
