Pérovskites 2D : la révolution solaire se joue à l’échelle nanométrique

La quête de matériaux plus stables et efficaces pour les cellules solaires s’impose comme un enjeu central dans la transition énergétique. Les pérovskites halogénées, une famille de composés cristallins, font l’objet d’un intérêt grandissant en tant qu’alternative potentielle au silicium couramment utilisé. Une équipe de chercheurs en Suède, a récemment accompli des progrès significatifs dans la compréhension du fonctionnement de ces matériaux, élargissant ainsi les possibilités pour leur application dans le domaine photovoltaïque.

Les pérovskites halogénées englobent une série de matériaux jugés particulièrement intéressants pour la fabrication de cellules solaires flexibles et légères, ainsi que pour diverses applications optiques telles que l’éclairage LED. Leur capacité exceptionnelle à absorber et émettre la lumière les positionne comme des candidats de choix pour ces technologies.

Néanmoins, la dégradation rapide de ces matériaux constitue un obstacle majeur à leur utilisation à grande échelle. Pour optimiser leur application, il s’avère essentiel d’approfondir la compréhension des mécanismes sous-jacents à cette instabilité et au fonctionnement global de ces composés.

L’apport des simulations informatiques et de l’apprentissage automatique

Une équipe de recherche du Département de Physique de l’Université de technologie de Chalmers a mis en œuvre des simulations informatiques avancées et des techniques d’apprentissage automatique pour étudier une série de matériaux pérovskites bidimensionnels (2D). Cette approche novatrice a permis d’obtenir des informations cruciales sur les facteurs influençant leurs propriétés. Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue ACS Energy Letters.

«En cartographiant le matériau dans des simulations informatiques et en le soumettant à différents scénarios, nous pouvons tirer des conclusions sur la façon dont les atomes du matériau réagissent lorsqu’ils sont exposés à la chaleur, à la lumière, etc. En d’autres termes, nous disposons maintenant d’une description microscopique du matériau qui est indépendante des expériences réalisées sur celui-ci, mais qui conduit au même comportement que les expériences», a commenté le professeur Paul Erhart, membre de l’équipe de recherche.

Une analyse plus approfondie grâce à l’apprentissage automatique

L’utilisation de l’apprentissage automatique a joué un rôle déterminant dans cette recherche. Les scientifiques ont pu étudier des systèmes plus vastes, sur des périodes plus longues, que ce qui était réalisable avec les méthodes standard utilisées il y a seulement quelques années.

La professeure associée Julia Wiktor, également membre de l’équipe de recherche, a souligné : «Cette approche nous a offert à la fois une vue d’ensemble beaucoup plus large qu’auparavant, mais aussi la capacité d’étudier les matériaux de manière beaucoup plus détaillée. Nous pouvons constater que dans ces couches très fines de matériau, chaque couche se comporte différemment, ce qui est très, très difficile à détecter expérimentalement».

Une meilleure compréhension de la composition des pérovskites 2D

Les matériaux pérovskites 2D sont constitués de couches inorganiques empilées les unes sur les autres, séparées par des molécules organiques. La compréhension des mécanismes précis qui influencent l’interaction entre les couches et ces molécules est fondamentale pour concevoir des dispositifs optoélectroniques efficaces et stables basés sur ces matériaux.

Le professeur Erhart a ajouté : «Dans les pérovskites 2D, les couches de pérovskite sont liées par des molécules organiques. Ce que nous avons découvert, c’est que l’on peut contrôler directement le mouvement des atomes dans les couches de surface par le choix des liaisons organiques, et comment cela affecte les mouvements atomiques profondément à l’intérieur des couches de pérovskite. Comme ce mouvement est si crucial pour les propriétés optiques, c’est comme un effet domino».

Perspectives pour le développement de dispositifs photovoltaïques

Les résultats de cette recherche offrent une meilleure compréhension de la manière dont les matériaux pérovskites 2D peuvent être utilisés pour concevoir des dispositifs adaptés à différentes applications et variations de température.

«Cela nous donne vraiment l’opportunité de comprendre d’où peut provenir la stabilité dans les matériaux pérovskites 2D, et donc potentiellement de prédire quels liants et quelles dimensions peuvent rendre le matériau à la fois plus stable et plus efficace. Notre prochaine étape consiste à passer à des systèmes encore plus complexes et en particulier aux interfaces qui sont fondamentales pour le fonctionnement des dispositifs», a conclu la professeure Wiktor.

Légende illustration : Illustration du matériau pérovskite 2D étudié par les chercheurs. Les parties jaunes illustrent les molécules de liaison, tandis que les parties violettes et roses représentent la couche de pérovskite. Crédit : Julia Wiktor, Chalmers University of Technology

L’article « Impact of Organic Spacers and Dimensionality on Templating of Halide Perovskites » a été publié dans ACS Energy Letters et rédigé par Erik Fransson, Julia Wiktor et Paul Erhart du département de physique de l’université technologique de Chalmers, en Suède. DOI : doi/10.1021/acsenergylett.4c01283