Les pérovskites, une famille de matériaux aux propriétés électriques uniques, montrent un potentiel important pour une multitude d’applications, notamment dans la création des cellules solaires de nouvelle génération. Une équipe de scientifiques a mis au point un nouveau procédé de fabrication de grands dispositifs à base de pérovskites, plus économique et rapide que les méthodes traditionnelles. Ce procédé pourrait accélérer la découverte de nouveaux matériaux.
« Cette méthode que nous avons développée nous permet de créer facilement de très grands échantillons en quelques minutes, au lieu de jours ou de semaines avec les méthodes traditionnelles« , a déclaré Luyao Zheng, chercheur postdoctoral au Département des sciences des matériaux de Penn State et premier auteur de l’étude. « Et nos matériaux sont de haute qualité – leurs propriétés peuvent rivaliser avec celles des pérovskites monocristallines.«
L’équipe de recherche a utilisé une technique de frittage appelée EM-FAST (Electrical and Mechanical Field-Assisted Sintering Technique) pour créer ces dispositifs. Le frittage est un processus couramment utilisé pour comprimer les poudres fines en une masse solide de matériau en utilisant la chaleur et la pression.
Une Alternative à la chimie humide
Un processus typique de fabrication de pérovskites implique la chimie humide – les matériaux sont liquéfiés dans une solution de solvant, puis solidifiés en films minces. Ces matériaux ont d’excellentes propriétés, mais l’approche est coûteuse et inefficace pour la création de grandes pérovskites et les solvants utilisés peuvent être toxiques, ont précisé les scientifiques.
« Notre technique est le meilleur des deux mondes« , a déclaré Bed Poudel, professeur de recherche à Penn State et co-auteur de l’étude. « Nous obtenons des propriétés similaires à celles d’un monocristal, et nous n’avons pas à nous soucier des limitations de taille ou de toute contamination ou production de matériaux toxiques.«
L’EM-FAST : La porte ouverte à de nouvelles découvertes
Grâce à l’utilisation de matériaux secs, la technique EM-FAST offre la possibilité d’inclure de nouveaux dopants, des ingrédients ajoutés pour personnaliser les propriétés des dispositifs, qui ne sont pas compatibles avec la chimie humide utilisée pour fabriquer des films minces, accélérant potentiellement la découverte de nouveaux matériaux.
« Cela ouvre des possibilités pour concevoir et développer de nouvelles classes de matériaux, y compris de meilleurs matériaux thermiques et solaires, ainsi que des détecteurs de rayons X et γ« , a déclaré Amin Nozariasbmarz, professeur de recherche adjoint à Penn State et co-auteur de l’étude. « Certaines des applications sont des choses que nous connaissons déjà, mais comme c’est une nouvelle technique pour fabriquer de nouveaux matériaux de pérovskite halogénée avec des propriétés, structures et compositions contrôlées, peut-être y a-t-il de la place à l’avenir pour de nouvelles avancées.«
La possibilité de compositions sur mesure
En outre, le nouveau processus permet la superposition de matériaux – une poudre sous une autre – pour créer des compositions sur mesure. À l’avenir, les fabricants pourraient concevoir des dispositifs spécifiques puis les imprimer directement à partir de poudres sèches, ont indiqué les scientifiques.
« Nous pensons que cette pérovskite FAST pourrait ouvrir une autre dimension pour la synthèse de matériaux à haut débit, la fabrication future en imprimant directement les dispositifs à partir de poudre et accélérer la découverte de nouvelles compositions de pérovskites« , a déclaré Kai Wang, professeur de recherche adjoint à Penn State et co-auteur de l’étude.
Un rendement à 100%
L’EM-FAST, également connue sous le nom de frittage par plasma à étincelles, consiste à appliquer un courant électrique et une pression à des poudres pour créer de nouveaux matériaux. Le processus a un rendement de 100% – tous les ingrédients bruts sont intégrés dans le dispositif final, contrairement à 20 à 30% dans le traitement à base de solutions.
Un Grand Pas en avant dans la recherche
Les scientifiques de Penn State ont longtemps utilisé l’EM-FAST pour créer des dispositifs thermoélectriques. Ce travail représente la première tentative pour créer des matériaux de pérovskite avec cette technique.
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« En raison de notre expérience, nous pensions que nous pourrions changer certains paramètres et essayer cela avec les pérovskites« , a déclaré Nozariasbmarz. « Et cela a ouvert une porte vers un nouveau monde. Ce papier est un lien vers cette porte – vers de nouveaux matériaux et de nouvelles propriétés.«
Pour aller plus loin
La découverte de cette nouvelle méthode de fabrication de pérovskites par l’équipe de Penn State représente une avancée significative dans le domaine des matériaux semi-conducteurs. Cette technique présente plusieurs avantages dont la rapidité de production, l’économie des coûts et surtout, l’ouverture vers de nouvelles opportunités de recherche en matière de matériaux.
Légende illustration principale : Échantillons de pérovskite synthétisés par FAST, de tailles et de formes différentes. Crédit : Penn State. Tous droits réservés.
Article adapté du contenu de Matthew Carroll
FAQ
Qu’est-ce que la pérovskite ? La pérovskite est une famille de matériaux aux propriétés électriques uniques. Ils sont particulièrement prometteurs pour une utilisation dans les cellules solaires de nouvelle génération.
Qu’est-ce que l’EM-FAST ? L’EM-FAST (Electrical and Mechanical Field-Assisted Sintering Technique) est une technique de frittage qui utilise un courant électrique et une pression pour transformer des poudres en un matériau solide.
Quels sont les avantages de la technique EM-FAST ? L’EM-FAST permet de créer des dispositifs de pérovskite de grande taille de manière plus économique et rapide. Elle permet également d’éviter les limitations de taille, les risques de contamination et la production de matériaux toxiques inhérents à d’autres méthodes.
Quelles sont les applications possibles de cette technique ? Cette technique pourrait ouvrir la voie à la conception de nouvelles classes de matériaux, y compris de meilleurs matériaux thermiques et solaires, ainsi que des détecteurs de rayons X et γ. Il est également possible de créer des dispositifs spécifiques en superposant différentes poudres de matériaux.
Quels sont les défis de cette méthode ? Bien que prometteuse, cette méthode doit encore faire ses preuves en termes de mise à l’échelle pour une production de masse. De plus, l’exploration des nouvelles propriétés de ces matériaux représente un défi de recherche.
