Cette série d'images montre un squelette de dollar des sables se transformant progressivement en une pérovskite émettant de la lumière. Les instantanés de cette conversion sont pris à 0s, 5s, 15s, et 40 ans. Crédit :Noorduin Lab, AMOLF
Les chercheurs de l'AMOLF ont trouvé un moyen de fabriquer des structures de carbonate de calcium adaptées à une utilisation en électronique. Ils le font en modifiant la composition du matériau pour qu'il devienne un semi-conducteur sans perdre sa forme. Cela pourrait conduire à des cellules solaires plus efficaces et plus stables. Cette recherche a été publiée dans la revue Chimie de la nature le 4 juin, 2018.
En principe, il serait possible de réaliser l'expérience sur la plage en utilisant la coquille ovale blanche d'une seiche ou un squelette d'oursin, dit Wim Noorduin, chef de groupe Self Organizing Matter chez AMOLF. "L'expérience ne consiste qu'à faire couler deux liquides sur la structure de carbonate de calcium. La conversion est terminée en quelques minutes. Si vous faites briller une lampe UV sur la structure, vous pouvez voir la conversion se dérouler sous vos yeux :Le squelette d'oursin, qui apparaît initialement bleu sous la lampe, se transforme en une structure vert vif à chaque goutte."
Noorduin convertit des structures de carbonate de calcium telles qu'un squelette d'oursin en pérovskite, un nouveau matériau très prometteur pour les cellules solaires. "En effet, c'est de l'alchimie, " dit Noorduin. " Midas a tout changé en or, et nous changeons maintenant le carbonate de calcium en pérovskite."
Le carbonate de calcium est très abondant sur Terre, et peut être trouvé dans les mines de craie et les squelettes d'animaux, par exemple. Noorduin avait déjà trouvé un moyen de fabriquer une gamme de microstructures à partir de calcium afin de comprendre comment la nature le fait. Mais le matériau a peu d'applications. Pérovskite, cependant, offre plus de possibilités, et c'est un nouveau matériau très prometteur pour les cellules solaires. Les cellules solaires produites à partir de la pérovskite semi-conductrice sont plus efficaces et moins chères que les cellules solaires traditionnelles au silicium. Ils font aussi l'objet de plus en plus de recherches. "En convertissant une structure prédéterminée de carbonate de calcium en pérovskite fonctionnelle, nous avons maintenant le contrôle sur la forme et la fonction du matériau, " dit Noorduin.
Microstructures semi-conductrices 3D :en choisissant la composition ionique spécifique au cours de la réaction de conversion, nous pouvons ajuster la couleur sur tout le spectre visible du bleu au vert en passant par le rouge. Le corail bleu est le chlorure de plomb méthyl ammonium, la spirale verte est en bromure de plomb méthyl ammonium et les vases rouges sont en iodure de plomb méthyl ammonium. Les images sont prises avec un microscope électronique modifié qui capte la lumière, cette technique est appelée cathodoluminescence (CL). Crédit :Noorduin Lab, AMOLF
Noorduin s'attend à ce que le nouveau matériau conduira à des cellules solaires améliorées. Comme les chercheurs contrôlent désormais la forme de la cellule solaire, ils peuvent produire une structure qui capte plus efficacement la lumière du soleil. Par ailleurs, la durée de vie de la génération actuelle de cellules solaires à base de pérovskite est trop courte car la pérovskite se dégrade trop rapidement. « Nous pensons que nos microstructures de pérovskite sont beaucoup plus stables. Les cellules solaires fabriquées à partir de ce matériau devraient donc durer plus longtemps, " dit Noorduin. " De plus, nous pouvons produire des structures de pérovskite dans toutes les couleurs souhaitées. Cela signifie que le matériau pourrait également être utilisé pour les LED dans diverses applications, tels que les écrans, ", explique le chercheur.
Avec le nouveau processus, développé par le doctorat de Noorduin. les chercheurs Lukas Helmbrecht et Hans Hendrikse, il est possible de convertir chaque structure de carbonate de calcium, comme un squelette d'oursin ou les microstructures de Noorduin, en pérovskite. Ce processus concerne la conversion contrôlée d'une structure cristalline en une autre, qui est un processus difficile en chimie. Une structure cristalline est similaire à une collection de billes empilées. Les ions du carbonate de calcium sont différents de ceux de la pérovskite, et l'empilement est également différent. Les chercheurs remplacent tous les ions du carbonate de calcium. les ions calcium chargés positivement avec les fers au plomb, puis les fers carbonatés chargés négativement avec du chlorure, par exemple. Finalement, ils ajoutent un autre ion, méthylammonium. Ce dernier ingrédient donne lieu à un nouveau modèle d'empilement à la suite duquel la pérovskite est produite.
L'expérience est simple, une fois que vous savez comment l'exécuter, dit Noorduin. La difficulté de convertir le carbonate de calcium en pérovskite est que tout est différent :pas seulement la composition des cations chargés positivement et des anions chargés négativement, mais aussi la structure cristalline, dit Noorduin. « Les conditions de réaction, tels que la concentration et le niveau de pH, doit être tout à fait exact, sinon la structure s'effondre immédiatement. Il nous a fallu six mois pour découvrir ces conditions exactes."
Par exemple, l'échange des cations dans la première étape doit être parfait. La deuxième étape est encore plus difficile car la structure cristalline doit changer. Nous avons également constaté qu'il était essentiel de s'assurer que cette dernière étape se produise très rapidement pour éviter que la structure ne s'effondre.
Autres matériaux
La méthode d'échange d'ions peut être utilisée sur une large gamme de matériaux. Non seulement le carbonate de calcium, mais aussi le carbonate de baryum et le carbonate de strontium conviennent, et peut-être aussi des sulfates. Les chercheurs de l'AMOLF s'attendent à ce que la réaction puisse également être étendue à d'autres types de pérovskite pour permettre un large éventail d'applications. "We can apply the principles to other materials such as catalysts. In those cases, you want to be able to control the material's surface shape and composition as well."
