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Jul 13, 2023

NSF CAREER Awardee avance léger, bas

L'énergie solaire est appelée à jouer un rôle clé pour que les États-Unis atteignent leur objectif de

L'énergie solaire devrait jouer un rôle clé pour que les États-Unis atteignent leur objectif d'une économie à zéro émission nette d'ici 2050. En plus des panneaux solaires conventionnels, qui sont principalement constitués de silicium et de tellurure de cadmium, le photovoltaïque à pérovskite devrait faire partie de la solution.

"Le photovoltaïque à base de pérovskite est passionnant car il peut être imprimé comme des journaux et ne nécessite qu'une petite fraction du matériau utilisé dans les technologies photovoltaïques traditionnelles", a déclaré Adam Printz, professeur assistant en génie chimique et environnemental. « Moins d'utilisation de matériaux réduit les coûts et les déchets, ce qui signifie que le photovoltaïque à long terme à base de pérovskite est un substitut attrayant aux technologies actuelles.

Les pérovskites sont ultrafines (seulement quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, soit environ 1 % de la largeur d'un cheveu humain) et peuvent être imprimées sur des substrats en plastique flexibles, ce qui signifie qu'elles pourraient être utilisées dans des applications où la portabilité et le poids sont des facteurs clés de conception, y compris en cas de catastrophe. secours, aviation, exploration spatiale et capteurs portables pour les soins de santé. Cependant, les photovoltaïques à pérovskite ne sont pas encore commercialement viables car ils présentent encore des instabilités chimiques et mécaniques, ce qui les amène à se dégrader et à cesser de fonctionner plus rapidement que les autres technologies. Quelles sont les causes exactes de ces instabilités et comment peuvent-elles être atténuées pour améliorer les performances de la pérovskite ?

Avec un prix CAREER de 500 000 $ de la National Science Foundation, Printz a l'intention de le découvrir. En parallèle, il travaille au lancement d'une série de vidéos et d'une mineure en énergies renouvelables pour former une nouvelle génération de scientifiques.

Comprendre pourquoi et où se forment les défauts

Le mot "perovskite" faisait à l'origine référence à un minéral, découvert pour la première fois au début du 19ème siècle, avec la structure cristalline ABX3. De nos jours, le mot est également utilisé comme raccourci pour désigner les "photovoltaïques à base de pérovskite aux halogénures métalliques", ou des matériaux fabriqués en laboratoire qui ont une structure cristalline ABX3 et offrent des propriétés telles que la photoconductivité et la possibilité d'être transformés en encres.

Dans la structure cristalline ABX3, le A est un cation ou un ion chargé positivement, le B est un métal (généralement du plomb ou de l'étain) et le X est un halogénure (un type d'atome qui fonctionne comme un anion ou un ion chargé négativement) . Tous ces éléments sont dissous dans un solvant pour fabriquer une encre, qui peut être imprimée sur un substrat en plastique souple, de la même manière que l'encre est imprimée sur un journal. Le film résultant est chauffé afin que le solvant s'évapore et que la pérovskite puisse cristalliser.

Au fur et à mesure que le film refroidit, la pérovskite est naturellement encline à rétrécir davantage que le matériau du substrat. Cependant, comme le film et le substrat sont attachés, la pérovskite rétrécit moins dans les zones où elle touche le substrat. Pensez à la façon dont le centre d'un filet de tennis s'affaisse légèrement, car il est plus proche d'être au repos, mais sur les côtés, il est plus haut, car il est soutenu par des poteaux. La différence entre le motif de réseau naturel de la pérovskite (comme le milieu d'un filet de tennis) et le motif en contact direct avec le substrat (comme les côtés d'un filet de tennis) provoque une déformation, formant un gradient de déformation du réseau.

"Nous savons que la déformation du réseau est problématique et qu'elle crée probablement des instabilités", a déclaré Printz. "Nous savons également qu'il existe un gradient de contrainte vertical dans ces films, ce qui signifie que la quantité de contrainte est différente en haut du film qu'en bas du film. Jusqu'à présent, personne n'a vraiment lié ces gradients de contrainte à la stabilité, ni comment ces gradients entraînent différentes densités de défauts dans les films de pérovskite."

Éliminer les défauts et moduler la contrainte

Une manière connue d'atténuer ces défauts, même si leurs comportements ne sont pas totalement connus, consiste à incorporer des matériaux organiques appelés additifs dans les films de pérovskite.

"Les additifs traitent essentiellement les défauts et les suppriment de l'équation", a déclaré Printz. "Nous allons essayer d'utiliser ces additifs non seulement pour attaquer les défauts, mais aussi pour permettre à la contrainte d'être modulée dans le matériau pérovskite, afin que nous puissions potentiellement séparer les atomes ou les rapprocher et obtenir différentes propriétés et stabilité. "

Cependant, étant donné que les pérovskites se composent de trois catégories d'ingrédients et que chaque catégorie a un éventail d'options, il existe un nombre énorme et toujours croissant de formations de pérovskites. Ainsi, même si une équipe de scientifiques a trouvé un additif qui élimine les défauts en utilisant une formule de pérovskite particulière, la formule sera probablement bientôt obsolète à mesure que de meilleures versions seront développées. Ensuite, la recherche du bon additif recommencerait.

Printz et son équipe commencent par tester différents additifs sur une formulation de pérovskite très simple, puis testent le même groupe d'additifs sur des pérovskites plus complexes chimiquement.

À partir de là, ils prévoient d'utiliser une combinaison d'expériences, de simulations et éventuellement d'apprentissage automatique pour commencer à développer une base de données documentant quels additifs fonctionnent avec quelles formulations de pérovskite.

"Une personne pourrait être en mesure d'entrer dans la base de données, 'Voici la formulation de pérovskite avec laquelle je travaille', et la base de données pourrait dire, 'Essayez ces trois additifs' ou 'Essayez ces 17 additifs'", a déclaré Printz. "Nous adoptons une approche très systématique."

La capacité de contrôler la densité de déformation et de défauts pourrait être utile au-delà du monde des pérovskites, dans des applications allant des transistors aux expériences de physique.

Série de vidéos « Des scientifiques comme moi »

Le projet CAREER de Printz comprend également plusieurs éléments axés sur les étudiants, en collaboration avec des programmes tels que Arizona Science, Engineering and Math Scholars. Premièrement, lui et son équipe prévoient de lancer une série de séminaires pour aider les étudiants marginalisés à se préparer à la recherche. En tandem, ils créeront une série de vidéos intitulée "Scientists Like Me", dans laquelle des scientifiques d'horizons divers parleront de sujets scientifiques et sociétaux.

"Avec ce format, nous avons l'intention à la fois d'humaniser les scientifiques et d'inspirer les étudiants, leur permettant de se voir comme de futurs scientifiques", a déclaré Printz.

Fourni par l'Université de l'Arizona