En plein dans l’ère de la numérisation et de l’automatisation, un développement a vu le jour dans le domaine de la recherche en matériaux pour l’énergie solaire. Baptisé RoboMapper, ce robot est capable de réaliser de façon plus efficace et durable des expériences pour mettre au point de nouveaux matériaux semi-conducteurs. Cette invention est le fruit du travail acharné d’une équipe de chercheurs visionnaires.
Aram Amassian, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université d’État de Caroline du Nord et co-auteur de l’étude, a expliqué que RoboMapper permet d’accélérer la recherche de matériaux en réduisant les coûts et la consommation énergétique.
« RoboMapper nous permet de mener des tests de matériaux plus rapidement, tout en réduisant à la fois les coûts et la consommation énergétique, rendant ainsi l’ensemble du processus plus durable. » a t-il ainsi commenté.
En effet, la recherche conventionnelle exige des étapes multiples et chronophages. Chaque échantillon doit être préparé et testé individuellement sur différents instruments, nécessitant une mise en place, un alignement et une calibration à chaque fois. Ce processus est similaire à une ligne de montage, consommatrice de temps et d’électricité.
L’innovation par l’automatisation et la miniaturisation
Les tentatives précédentes pour automatiser ce processus ont principalement reposé sur l’automatisation de la ligne de montage avec un échantillon par puce passant par l’ensemble du processus de collecte de données. Si cette méthode améliore la vitesse, chaque étape doit toujours être réalisée avec un échantillon à la fois.
RoboMapper, cependant, va au-delà de cette approche en plaçant plusieurs échantillons sur chaque puce grâce à la miniaturisation des échantillons, rendue possible par les techniques modernes d’impression.
Tonghui Wang, principal auteur de l’article et doctorant à l’Université d’État de Caroline du Nord, souligne que cette méthode rend la recherche de nouveaux matériaux plus efficiente, plus rentable et plus durable en termes d’empreinte carbone. « C’est presque 10 fois plus rapide que les techniques automatisées précédentes. » a-t-il déclaré.
Une réduction des émissions de CO2 par dix
Pour vérifier ces déclarations, l’équipe de chercheurs a comparé l’impact environnemental de la recherche traditionnelle de matériaux et de la collecte de données avec celle de RoboMapper.
Selon Lucía Serrano-Luján, économiste de l’environnement et co-auteure de l’article, « la caractérisation est la principale source d’émissions de gaz à effet de serre dans la recherche sur les matériaux.
Elle souligne également que la capacité de RoboMapper à rationaliser le processus de collecte de données en plaçant des dizaines de matériaux sur la même puce a permis de réduire les émissions de gaz à effet de serre par dix.
RoboMapper face à la stabilité des matériaux pérovskites
Pour illustrer l’utilité de RoboMapper, les chercheurs se sont d’abord concentrés sur les matériaux pérovskites. Ces matériaux, caractérisés par leur structure cristalline, sont plus efficaces que le silicium pour absorber la lumière. Par conséquent, les cellules solaires pérovskites peuvent être plus fines et plus légères que les cellules solaires en silicium sans sacrifier la capacité de la cellule à convertir la lumière en électricité. Ce qui en fait un sujet de recherche central pour les technologies solaires de nouvelle génération.
Le principal défi lié à ces matériaux réside dans leur instabilité. Comme l’explique le Pr. Amassian, « les matériaux pérovskites ont tendance à se dégrader lorsqu’ils sont exposés à la lumière, perdant ainsi les propriétés qui les rendaient désirables en premier lieu. »
Des tests probants et de belles perspectives
Les chercheurs ont donc chargé RoboMapper de réaliser des alliages en utilisant un ensemble défini d’éléments. Le robot a alors élaboré des échantillons avec 150 compositions d’alliage différentes et a réalisé des tests de spectroscopie optique, des évaluations structurales par rayons X et des tests de stabilité de ces échantillons.
RoboMapper a permis d’identifier rapidement la composition la plus stable parmi un ensemble possible d’alliages de pérovskites à un écart de bande cible en utilisant une suite spécifique d’éléments. « Le matériau que nous avons identifié à l’aide de RoboMapper s’est également avéré plus efficace pour convertir la lumière en électricité dans les dispositifs de cellules solaires. », ajoute le Pr. Amassian.
« Les prochaines étapes de ce travail comprennent l’élargissement de la gamme d’alliages potentiels à tester dans RoboMapper« , conclut le chercheur. « Nous sommes prêts à collaborer avec des partenaires industriels pour identifier de nouveaux matériaux destinés à l’industrie photovoltaïque ou à d’autres applications. Avec le soutien du Bureau de la recherche navale, nous utilisons déjà RoboMapper pour améliorer notre compréhension des matériaux destinés aux cellules solaires organiques et à l’électronique imprimée.«
En synthèse
Le robot de recherche RoboMapper représente une évolution majeure dans la recherche sur les matériaux semi-conducteurs. En automatisant et en miniaturisant le processus de test, il rend la recherche plus rapide, moins coûteuse et plus respectueuse de l’environnement. Il a déjà fait ses preuves en permettant de découvrir rapidement des alliages de pérovskites stables et efficaces pour la conversion de la lumière en électricité.
Les futurs travaux devraient permettre d’étendre la gamme d’alliages à tester avec RoboMapper, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles découvertes passionnantes dans le domaine des technologies solaires de nouvelle génération.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que RoboMapper ?
RoboMapper est un robot de recherche capable de réaliser efficacement et de manière durable des tests pour le développement de nouveaux matériaux semi-conducteurs.
Comment RoboMapper rend-il le processus de recherche plus efficient ?
En automatisant et en miniaturisant le processus de test, RoboMapper rend la recherche plus rapide, moins coûteuse et plus respectueuse de l’environnement.
Quel a été le principal défi auquel RoboMapper a été confronté lors des tests ?
Le principal défi était la stabilité des matériaux pérovskites qui ont tendance à se dégrader lorsqu’ils sont exposés à la lumière.
Quelles sont les perspectives d’avenir pour RoboMapper ?
Les futurs travaux devraient permettre d’étendre la gamme d’alliages à tester avec RoboMapper, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles découvertes dans le domaine des technologies solaires de nouvelle génération.
Article : « High-bandwidth perovskite photonic sources on silicon » – DOI 10.1038/s41566-023-01242-9 – Nature Photonics. Crédit image : ncsu
