Une étude, dont les résultats intitulés «Visualization of dynamic polaronic strain fields in hybrid lead halide perovskites» ont été publiés dans la revue Nature Materials, a permis, pour la première fois, d'observer comment se forment et évoluent des polarons, qui sont des distorsions fugaces dans le réseau atomique d'un matériau et apparaissant en parallèle des déplacements d'électrons.

Soulignons tout d'abord qu'autour d'un électron en mouvement au cœur d'un matériau, «il se forme des distorsions extrêmement éphémères (qui se maintiennent sur des durées de l'ordre du trillionième de seconde seulement) dans le réseau atomique. Appelées polarons, ces distorsions, qui «peuvent affecter le comportement du matériau dans lequel ils apparaissent», sont «notamment suspectés d'être à l'origine de l'efficacité des cellules pérovskites à convertir l'énergie solaire en courant électrique».

Dans ce contexte, l'étude ici présentée a fait appel à «un puissant  laser rayons X à électrons libres pour observer et mesurer, pour la première fois, la formation de tels polarons dans des pérovskites hybrides au plomb», car celui-ci permet «de capturer les mouvements se produisant en millionième de milliardième de seconde». De la sorte, elle est parvenue «à déterminer les tailles et les formes des polarons dans des monocristaux de pérovskites, et à suivre leur évolution».

Concrètement, lorsque le matériau est frappé «avec de la lumière [ici, un laser optique], comme ce qui se passe dans une cellule solaire, des électrons sont libérés et ils commencent à se déplacer». Ils sont alors rapidement «enveloppés par une sorte de bulle de distorsion locale qui les accompagne», les fameux polarons, «qui pourraient les protéger de la dispersion des défauts du matériau, les aidant à se déplacer avec plus d'efficacité». En fait, «c'est la structure flexible et molle du réseau de pérovskite hybride qui permet aux polarons de se former et de se développer».

Les observations de cette étude «révèlent que ces distorsions commencent à l'échelle de quelques angströms (des longueurs de l'ordre de l'espacement entre les atomes dans un solide) et qu'elles «grossissent ensuite rapidement dans toutes les directions jusqu'à atteindre un diamètre d'environ 5 milliardièmes de mètre»: ainsi, «en quelques dizaines de picosecondes», cette «multiplication par 50 de la taille du polaron pousse environ dix couches d'atomes vers l'extérieur».

En fin de compte, «ces distorsions atteignent des dimensions plus grandes» que ce qui était attendu. Cependant, cette expérience, qui démontre de manière directe, l'existence des polarons «ne nous explique pas encore comment ils contribuent à l'efficacité d'une cellule solaire».