Des ingénieurs créent des « graines » pour faire pousser des cristaux de pérovskite 2D presque parfaits :

Les ingénieurs de l’Université Rice ont créé des graines microscopiques pour faire pousser des cristaux de pérovskite 2D remarquablement uniformes qui sont à la fois stables et très efficaces pour récolter l’électricité de la lumière du soleil.

Les pérovskites aux halogénures sont des matériaux organiques fabriqués à partir d’ingrédients abondants et peu coûteux, et la méthode de croissance par graines de Rice aborde à la fois les problèmes de functionality et de production qui ont freiné la technologie photovoltaïque à pérovskites aux halogénures.

Dans une étude publiée en ligne dans State-of-the-art Supplies, des ingénieurs chimistes de la Brown School of Engineering de Rice décrivent comment fabriquer les graines et les utiliser pour faire pousser des films minces homogènes, des matériaux très recherchés composés de couches uniformément épaisses. Lors de exams en laboratoire, les dispositifs photovoltaïques fabriqués à partir des films se sont avérés à la fois efficaces et fiables, une combinaison auparavant problématique pour les dispositifs fabriqués à partir de pérovskites 3D ou 2D.

« Nous avons mis au point une méthode où vous pouvez vraiment adapter les propriétés des films macroscopiques en adaptant d’abord ce que vous mettez en option », a déclaré le co-auteur de l’étude Aditya Mohite, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire et de science des matériaux. et la nano-ingénierie chez Rice. « Vous pouvez arriver à quelque selected de très homogène dans sa taille et ses propriétés, ce qui conduit à une efficacité moreover élevée. Nous avons obtenu une efficacité d’appareil presque à la pointe de la technologie pour le cas 2D de 17%, et c’était sans optimisation. Nous pense que nous pouvons améliorer cela de plusieurs manières. »

Mohite a déclaré que la réalisation de movies homogènes de pérovskites 2D a été un énorme défi dans la communauté de recherche photovoltaïque à foundation de pérovskites aux halogénures, qui s’est considérablement développée au cours de la dernière décennie.

« On s’attend à ce que des movies homogènes conduisent à des dispositifs optoélectroniques avec à la fois un rendement élevé et une stabilité technologiquement pertinente », a-t-il déclaré.

Les movies photovoltaïques à haute efficacité cultivés à partir de semences de Rice se sont avérés assez stables, préservant moreover de 97% de leur efficacité maximale après 800 heures d’éclairage sans aucune gestion thermique. Dans des recherches antérieures, les dispositifs photovoltaïques à pérovskite aux halogénures 3D étaient très efficaces mais sujets à une dégradation rapide, et les dispositifs 2D manquaient d’efficacité mais étaient très stables.

L’étude Rice détaille également le processus de croissance ensemencée – une méthode à la portée de nombreux laboratoires, a déclaré Amanda Marciel, co-auteur de l’étude, présidente du conseil d’administration de William Marsh Rice et professeure adjointe de génie chimique et biomoléculaire à Rice.

« Je pense que les gens vont prendre ce papier et dire : ‘Oh. Je vais commencer à faire ça' », a déclaré Marciel. « C’est un très bon papier de traitement qui va en profondeur d’une manière qui n’a pas vraiment été faite auparavant. »

Le nom pérovskite fait référence à la fois à un minéral spécifique découvert en Russie en 1839 et à tout composé ayant la framework cristalline de ce minéral. Par exemple, les pérovskites aux halogénures peuvent être fabriquées en mélangeant du plomb, de l’étain et d’autres métaux avec des sels de bromure ou d’iodure. L’intérêt de la recherche pour les pérovskites aux halogénures est monté en flèche après que leur potentiel pour le photovoltaïque à haut rendement a été démontré en 2012.

Mohite, qui a rejoint Rice en 2018, a étudié le photovoltaïque à foundation de pérovskite aux halogénures pendant moreover de cinq ans, en particulier les pérovskites 2D – des formes plates et presque atomiquement minces du matériau qui sont as well as stables que leurs cousins ​​plus épais en raison d’une résistance inhérente à l’humidité.

Mohite a crédité l’auteur principal de l’étude Siraj Sidhik, un doctorat. étudiant dans son laboratoire, avec l’idée de poursuivre une croissance ensemencée.

Alors que la croissance ensemencée a souvent été démontrée pour les cristaux inorganiques et d’autres processus, Mohite a déclaré que c’était la première fois qu’elle était démontrée dans des pérovskites organiques 2D.

Le processus de croissance de films de pérovskite 2D à partir de graines est identique à plusieurs égards au processus classique de croissance de tels movies. Dans la méthode traditionnelle, les précurseurs chimiques sont mesurés comme les ingrédients d’une delicacies – X functions de l’ingrédient A, Y functions de l’ingrédient B, and many others. – et ceux-ci sont dissous dans un solvant liquide. La remedy résultante est étalée sur une floor plane by using un revêtement par centrifugation, une strategy largement utilisée qui repose sur la force centrifuge pour répartir uniformément les liquides sur un disque à rotation rapide. Au fur et à mesure que le solvant se dissout, les ingrédients mélangés cristallisent en un movie mince.

Le groupe de Mohite a réalisé des movies de pérovskite 2D de cette manière pendant des années, et bien que les films semblent parfaitement plats à l’œil nu, ils sont inégaux à l’échelle nanométrique. À certains endroits, le film peut être d’un seul cristal d’épaisseur, et à d’autres endroits, plusieurs cristaux d’épaisseur.

« Vous finissez par obtenir quelque selected de complètement polydispersé, et lorsque la taille adjust, le paysage énergétique improve également », a déclaré Mohite. « Ce que cela signifie pour un appareil photovoltaïque, c’est l’inefficacité, car vous perdez de l’énergie à induce de la diffusion lorsque les charges rencontrent une barrière avant de pouvoir atteindre un speak to électrique. »

Dans la méthode de croissance ensemencée, les graines sont fabriquées en faisant croître lentement un cristal 2D uniforme et en le broyant en une poudre, qui est dissoute dans un solvant au lieu des précurseurs individuels. Les graines contiennent le même ratio d’ingrédients que la recette classique, et la resolution résultante est appliquée par centrifugation sur des disques exactement comme elle le serait dans la méthode originale. Les étapes d’évaporation et de cristallisation sont également identiques. Mais la option ensemencée donne des films avec une surface homogène et uniforme, un peu comme celle du matériau à partir duquel les graines ont été broyées.

Lorsque Sidhik a d’abord réussi avec l’approche, il n’était pas immédiatement clair pourquoi il produisait de meilleurs films. Heureusement, le laboratoire de Mohite jouxte celui de Marciel, et bien qu’elle et son étudiant, le co-auteur principal Mohammad Samani, n’aient jamais travaillé avec des pérovskites, ils disposaient de l’outil parfait pour trouver et étudier tous les morceaux de graines non dissoutes qui pourraient servir de modèle aux movies homogènes..

« Nous pourrions suivre cette nucléation et cette croissance en utilisant des tactics de diffusion de la lumière dans mon groupe que nous utilisons généralement pour mesurer la taille des polymères en remedy », a déclaré Marciel. « C’est comme ça que la collaboration est née. Nous sommes voisins dans le laboratoire, et nous en parlions, et je me disais: » Hé, j’ai cette pièce d’équipement. Voyons quelle est la taille de ces graines et si nous pouvons les suivre au fil du temps, en utilisant les mêmes outils que nous utilisons dans la science des polymères.' »

L’outil était la diffusion dynamique de la lumière, une technique de base dans le groupe de Marciel. Il a révélé que les solutions atteignaient un état d’équilibre dans certaines conditions, permettant à une partie de certaines graines de rester non dissoutes dans la solution.

La recherche a montré que ces morceaux de graines conservaient la « mémoire » du cristal à croissance lente parfaitement uniforme à partir duquel ils étaient broyés, et Samani et Marciel ont découvert qu’ils pouvaient suivre le processus de nucléation qui permettrait éventuellement aux graines de produire des movies minces homogènes.

Mohite a déclaré que la collaboration a produit quelque chose qui est souvent tenté et rarement réalisé dans la recherche sur les nanomatériaux – une méthode d’auto-assemblage pour fabriquer des matériaux macroscopiques qui tiennent la promesse des nanoparticules individuelles qui les composent.

« Nous n’avons pas encore fait d’expériences sur d’autres systèmes, mais le succès des pérovskites soulève la problem de savoir si ce kind d’approche ensemencée pourrait également fonctionner dans d’autres systèmes », a-t-il déclaré.

La recherche a été soutenue par l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du ministère de l’Énergie (DOE), l’Institut universitaire de France et l’Office de la recherche navale (N00014-20-1-2725) et a utilisé les installations du DOE au Laboratoire national d’Argonne. et Laboratoire national de Brookhaven.