Nommé d'après un minéral découvert dans les montagnes de l'Oural en Russie, Les pérovskites ont occupé le devant de la scène en tant que classe de matériaux avec des propriétés qui pourraient être appliquées aux futurs appareils électroniques et énergétiques.

Les films semi-conducteurs en pérovskites promettent flexibilité, des cellules solaires légères, bon marché et faciles à fabriquer à partir de matériaux abondants. Bien qu'ils ne soient pas encore disponibles dans le commerce - les obstacles incluent leur rendre plus stables et durables - ils pourraient transformer l'industrie de l'énergie solaire au cours des dix ou vingt prochaines années.

Pour les scientifiques, les pérovskites présentent également un casse-tête intéressant :commencez par un certain nombre de variations sur les ingrédients de base pour les faire-plomb, iodure et méthylammonium – et vous vous retrouvez avec le même matériau de base. Encore, des ajustements à la chimie à différentes étapes du processus peuvent conduire à des pérovskites avec des qualités plus souhaitables pour les cellules solaires.

Pour les chercheurs de la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) et de l'Université de Stanford, le mystère et le potentiel des pérovskites convergent dans des expériences où des rayons X extrêmement brillants sont utilisés pour étudier la chimie du matériau au moment même où il se forme. L'installation utilisateur du DOE Office of Science du SLAC National Accelerator Laboratory offre plusieurs façons d'aborder le problème et de découvrir de nouvelles informations sur ce matériau utile.

Nous avons demandé aux scientifiques du personnel de SSRL Christopher Tassone et Kevin Stone, Doctorat en chimie de Stanford l'étudiant Aryeh Gold-Parker et Michael Toney, chef de la division science des matériaux SSRL, ce qu'ils ont récemment découvert sur la chimie de la pérovskite et où ils espèrent que leur travail mènera.

Leurs recherches ont été publiées aujourd'hui dans Communication Nature .

Comment sont fabriquées les pérovskites, et qu'est-ce qui vous intéresse dans ce processus ?

Pierre :Vous commencez par dissoudre certains ingrédients de base dans un solvant. Ensuite, vous déposez cette solution et la séchez en un film. Le film est ensuite transformé en pérovskite finale par un traitement tel qu'un recuit, qui consiste à le chauffer à une certaine température puis à le refroidir à nouveau. Nous nous intéressons à la chimie de tout ce processus et à son évolution à chaque étape. L'idée est que si vous pouvez comprendre ce que nous appelons la "chimie de formation" des pérovskites, vous pouvez créer les matériaux pour avoir les propriétés exactes que vous désirez.

Gold-Parker :Il existe des dizaines de méthodes différentes pour déposer des films de pérovskite, par exemple. Et ces méthodes conduisent à des différences d'épaisseur, texture, granulométrie et cristallinité des films. Dans le laboratoire, la création de pérovskites avec des caractéristiques distinctives se fait principalement par essais et erreurs. Les ingénieurs apportent de petites modifications au processus pour optimiser la propriété particulière qui les intéresse, que ce soit la tension ou la performance des cellules solaires. Les essais et les erreurs peuvent fonctionner, mais ce n'est pas efficace.

Tassone :Mon groupe s'intéresse vraiment à la façon dont nous fabriquons de grandes quantités de panneaux solaires à très bas prix pour répondre à la demande croissante d'énergie solaire et aux objectifs d'énergie propre. Les cellules solaires au silicium conventionnelles ne peuvent pas être fabriquées assez rapidement. Nous pensons que si nous pouvons comprendre les transformations chimiques qui se produisent pendant le processus de fabrication des cellules solaires à pérovskite, nous pouvons finalement concevoir de meilleurs processus qui répondent aux besoins de l'industrie.

Sur quoi portait votre dernière étude ?

Gold-Parker :Notre étude s'appuie sur les travaux d'autres groupes de chercheurs d'Oxford, Cornell et Stanford qui ont montré que l'utilisation du chlore dans le traitement peut conduire à des films de pérovskite de haute qualité avec des performances impressionnantes. Une fois la solution déposée, il y a une étape intermédiaire où un film cristallin se forme - nous appelons cela un précurseur - puis un sel gazeux de chlore appelé chlorure de méthylammonium (MACI) quitte le film en continu pendant qu'il se transforme en pérovskite. Il y a quelques années, une étude SSRL par moi-même, Toney et ses collègues ont montré qu'il reste très peu de chlore dans le produit final. Même si vous commencez avec beaucoup de chlore, la grande majorité est perdue dans le traitement.

Stone :Dans cette dernière étude, nous voulions savoir :où va le chlore et à quoi sert-il ? Pourquoi le chlore en premier lieu ? En quoi consiste le précurseur, et comment influence-t-elle cette transformation ?

Qu'avez-vous découvert?

Stone : Nous avons pu déterminer quelle est la structure de ce précurseur cristallin, comment les atomes sont assemblés, et à peu près combien de chlore est présent. Lorsque nous le réchauffons pendant l'étape de recuit, on voit que le précurseur cristallin persiste assez longtemps avant de commencer à se transformer en pérovskite.

Gold-Parker :Nous avons également pu montrer que la transformation en pérovskite finale est limitée par l'évaporation progressive du MACl, et que cette lente transformation pourrait en fait conduire à un matériau de pérovskite de meilleure qualité.

Toney :Il y a aussi des implications plus larges. Les calculs théoriques peuvent vous indiquer avec une bonne précision les propriétés de votre matériau. Mais ils ne fournissent presque aucune indication sur la façon de procéder pour le synthétiser. Cette question a suscité l'intérêt de la communauté scientifique pendant de nombreuses décennies, mais encore plus au cours des cinq dernières années, dans ce qu'on a appelé la science de synthèse :comprendre comment vous faites réellement quelque chose. Quels sont les processus par lesquels le matériau passe, les chemins ? Cette étude est un très bel exemple de pouvoir démêler ce processus de synthèse, et, par conséquent, avoir un aperçu de la façon dont nous pourrions le repenser.

Comment l'avez-vous étudié ?

Tassone :Nous avons utilisé plusieurs versions de deux techniques appelées diffusion des rayons X et spectroscopie des rayons X. La diffusion des rayons X est utilisée pour étudier la structure; il vous indique où se trouvent les atomes dans les matériaux cristallins. La spectroscopie aux rayons X est une technique complémentaire. Il vous parle de la chimie du film, combien de différents éléments chimiques sont présents et comment ils sont liés.

Gold-Parker :Ces méthodes nous ont permis de sonder les changements dans la structure cristalline et la quantité de chlore tout au long de la transformation, ainsi que l'état chimique du chlore. Et très important, nous avons utilisé chacune de ces techniques in situ - ou au fur et à mesure que les changements se produisent. SSRL a des capacités de classe mondiale pour concevoir et réaliser ce genre d'expériences in situ qui surveillent le processus réel au lieu de simplement les points de départ et d'arrivée, et c'était vraiment puissant.

Tassone :Ce qui rend ce résultat et notre approche très forts, c'est que nous utilisons l'interprétation des données de diffusion pour éclairer l'interprétation des données de spectroscopie, et vice versa. Nous n'aurions pas résolu ce mécanisme sans déplacer ces choses ensemble. Dans cet article, nous proposons une voie claire à quiconque souhaite étudier les processus impliqués dans la fabrication de ce matériau ou d'autres. C'est une étape importante dans la recherche sur les pérovskites mais aussi dans le domaine plus large de la science de synthèse que Mike a décrit.

Et après?

Stone :J'aimerais étudier ce qui se passe dans la solution avant qu'elle ne sèche, donc à un stade plus précoce du processus. J'aimerais également étendre nos méthodes pour inclure d'autres matériaux pérovskites.

Toney :Un autre point à approfondir est lié au rôle du chlore qui est présent dans le film dans cet exemple spécifique. Il sert de médiateur ou de régulateur, et cela ralentit la conversion. Comment ce concept général de médiateur - un composé qui sert un objectif mais ne se retrouve pas dans votre matériel final - fonctionne-t-il dans ce processus ou dans d'autres processus ou matériaux ? Le silicium est étudié depuis au moins 50 ans, pérovskites pour cinq, nous avons donc beaucoup de travail devant nous.

Tassone :J'ai deux points pour avancer. La première est de savoir comment développer les processus qui fonctionneront à grande échelle et permettront à l'énergie solaire d'être abordable pour tout le monde et d'avoir vraiment un impact important sur notre paysage énergétique ? L'autre est, sur la base du fait que les pérovskites sont le développement de semi-conducteurs le plus excitant de ces dix ou vingt dernières années, Comment pouvons-nous également utiliser les propriétés uniques de ce matériau pour d'autres applications ?