Une large classe de matériaux appelés pérovskites est considérée comme l'une des voies les plus prometteuses pour développer de nouveaux, cellules solaires plus efficaces. Mais le nombre pratiquement illimité de combinaisons possibles des éléments constitutifs de ces matériaux rend la recherche de nouvelles pérovskites prometteuses lente et laborieuse.

Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT et de plusieurs autres institutions a accéléré le processus de criblage de nouvelles formulations, obtenir une amélioration d'environ dix fois de la vitesse de synthèse et d'analyse de nouveaux composés. Dans le processus, ils ont déjà découvert deux ensembles de nouveaux matériaux prometteurs inspirés de la pérovskite qui méritent une étude plus approfondie.

Leurs découvertes sont décrites cette semaine dans le journal Joule , dans un article du chercheur scientifique du MIT Shijing Sun, professeur de génie mécanique Tonio Buonassisi, et 16 autres au MIT, à Singapour, et au National Institute of Standards and Technology du Maryland.

Un peu surprenant, bien qu'une automatisation partielle ait été utilisée, la plupart des améliorations de la vitesse de sortie sont dues à l'ergonomie du flux de travail, dit Buonassisi. Cela implique des efficacités de systèmes plus traditionnels, souvent dérivé en suivant et en chronométrant les nombreuses étapes impliquées :synthèse de nouveaux composés, les déposer sur un substrat à cristalliser, puis observer et classer les formations cristallines résultantes à l'aide de plusieurs techniques.

« Il est nécessaire d'accélérer le développement de nouveaux matériaux, " dit Buonassisi, alors que le monde continue de s'orienter vers l'énergie solaire, y compris dans les régions où l'espace pour les panneaux solaires est limité. Mais le système typique de développement de nouveaux matériaux de conversion d'énergie peut prendre 20 ans, avec des coûts d'investissement initiaux importants, il dit. L'objectif de son équipe est de réduire ce temps de développement à moins de deux ans.

Essentiellement, les chercheurs ont développé un système qui permet de fabriquer et de tester une grande variété de matériaux en parallèle. « Nous avons désormais accès à un large éventail de compositions différentes, utilisant la même plateforme de synthèse de matériaux. Il nous permet d'explorer une vaste gamme d'espace de paramètres, " il dit.

Les composés pérovskites se composent de trois constituants distincts, traditionnellement étiqueté A, B, et les ions du site X, dont chacun peut être l'un quelconque d'une liste d'éléments candidats, formant une très grande famille structurale aux propriétés physiques diverses. Dans le domaine des pérovskites et des matériaux d'inspiration pérovskite pour les applications photovoltaïques, l'ion du site B est typiquement du plomb, mais un effort majeur dans la recherche sur la pérovskite est de trouver des versions viables sans plomb qui peuvent égaler ou dépasser les performances des variétés à base de plomb.

Alors que plus d'un millier de formulations de pérovskite potentiellement utiles ont été prédites théoriquement, parmi des millions de combinaisons théoriquement possibles, seule une petite fraction de ceux-ci a été produite expérimentalement jusqu'à présent, soulignant la nécessité d'un processus accéléré, disent les chercheurs.

Pour les expériences, l'équipe a sélectionné une variété de compositions différentes, dont chacun a été mélangé dans une solution puis déposé sur un substrat, où le matériau s'est cristallisé en un film mince. Le film a ensuite été examiné en utilisant une technique appelée diffraction des rayons X, qui peut révéler des détails sur la façon dont les atomes sont disposés dans la structure cristalline. Ces diagrammes de diffraction des rayons X ont ensuite été initialement classés à l'aide d'un système de réseau neuronal convolutif pour accélérer cette partie du processus. Cette étape de classification seule, Buonassisi dit, prenait initialement de trois à cinq heures, mais en appliquant l'apprentissage automatique, cela a été réduit à 5,5 minutes tout en maintenant une précision de 90 pour cent.

Déjà, dans leur test initial du système, l'équipe a exploré 75 formulations différentes en environ un dixième du temps qu'il aurait fallu auparavant pour synthétiser et caractériser autant. Parmi ces 75, ils ont trouvé deux nouveaux systèmes de pérovskite sans plomb qui présentent des propriétés prometteuses qui pourraient avoir un potentiel pour des cellules solaires à haut rendement.

Dans le processus, ils ont produit pour la première fois quatre composés sous forme de film mince; les films minces sont la forme souhaitable pour une utilisation dans les cellules solaires. Ils ont également trouvé des exemples d'"accordabilité de bande interdite non linéaire" dans certains des matériaux, une caractéristique inattendue liée au niveau d'énergie nécessaire pour exciter un électron dans le matériau, qui, disent-ils, ouvre de nouvelles voies pour les cellules solaires potentielles.

L'équipe dit qu'avec une automatisation plus poussée de certaines parties du processus, il devrait être possible de continuer à augmenter la vitesse de traitement, ce qui le rend de 10 à 100 fois plus rapide. Finalement, Buonassisi dit, il s'agit de faire en sorte que l'énergie solaire soit la moins chère possible, poursuivre le plongeon déjà remarquable de la technologie. L'objectif est de ramener des prix économiquement soutenables en dessous de 2 centimes le kilowattheure, il dit, et y parvenir pourrait être le résultat d'une seule percée dans les matériaux :« Tout ce que vous avez à faire est de fabriquer un seul matériau » qui possède la bonne combinaison de propriétés, notamment la facilité de fabrication, faible coût des matériaux, et haute efficacité à convertir la lumière du soleil.

"Nous mettons toutes les pièces expérimentales en place pour pouvoir explorer plus rapidement, " il dit.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.