À l’aide de la simulation informatique et de l’apprentissage automatique, des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers en Suède ont franchi une étape importante vers la compréhension et la manipulation des pérovskites aux halogénures, parmi les matériaux les plus prometteurs pour accroître les rendements photovoltaïques. Mais des matériaux qui sont aussi notoirement énigmatiques !
« Pour répondre à la demande sans cesse croissante d’électricité, il existe un besoin important et croissant de nouvelles méthodes de conversion d’énergie respectueuses de l’environnement et efficaces, telles que des cellules solaires plus efficaces. Nos résultats sont essentiels pour concevoir et contrôler l’un des matériaux de cellules solaires les plus prometteurs pour une utilisation optimale. C’est très excitant que nous ayons maintenant des méthodes de simulation qui peuvent répondre à des questions qui n’étaient pas résolues il y a seulement quelques années », déclare Julia Wiktor, chercheuse principale de l’étude et professeure agrégée à Chalmers.
Des matériaux prometteurs pour des cellules solaires efficaces
Les matériaux appartenant au groupe pérovskites aux halogénures sont considérés comme les plus prometteurs pour la production de cellules solaires et de dispositifs optoélectroniques rentables, flexibles et légers, tels que les ampoules LED, car ils absorbent et émettent de la lumière de manière extrêmement efficace. Cependant, les matériaux en pérovskite peuvent se dégrader rapidement et savoir comment les utiliser au mieux nécessite une compréhension plus approfondie des raisons pour lesquelles cela se produit et du fonctionnement des matériaux.
Les scientifiques ont longtemps eu du mal à comprendre un matériau particulier au sein du groupe, un composé cristallin appelé iodure de plomb de formamidinium. Il possède des propriétés optoélectroniques exceptionnelles. Une plus grande utilisation du matériau a été entravée par son instabilité, mais cela peut être résolu en mélangeant deux types de pérovskites aux halogénures. Cependant, il faut plus de connaissances sur les deux types afin que les chercheurs puissent mieux contrôler le mélange.
La clé de la conception et du contrôle des matériaux
Un groupe de recherche à Chalmers peut maintenant fournir un compte rendu détaillé d’une phase importante du matériau qui était auparavant difficile à expliquer par les seules expériences. La compréhension de cette phase est essentielle pour être en mesure de concevoir et de contrôler à la fois ce matériau et les mélanges basés sur celui-ci. L’étude a récemment été publiée dans le Journal of the American Chemical Society.
« La phase à basse température de ce matériau a longtemps été une pièce manquante du puzzle de la recherche et nous avons maintenant résolu une question fondamentale sur la structure de cette phase », explique Sangita Dutta, chercheuse chez Chalmers.
L’apprentissage automatique a contribué à cette percée
L’expertise des chercheurs réside dans la construction de modèles précis de différents matériaux dans des simulations informatiques. Cela leur permet de tester les matériaux en les exposant à différents scénarios et ceux-ci sont confirmés expérimentalement. Néanmoins, la modélisation des matériaux de la famille des pérovskites aux halogénures est délicate, car la capture et le décodage de leurs propriétés nécessitent des supercalculateurs puissants et de longs temps de simulation.
« En combinant nos méthodes standard avec l’apprentissage automatique, nous sommes désormais en mesure d’exécuter des simulations des milliers de fois plus longues qu’auparavant. Et nos modèles peuvent maintenant contenir des millions d’atomes au lieu de centaines, ce qui les rapproche du monde réel », poursuit Sangita Dutta.
Les observations en laboratoire correspondent aux simulations
Les chercheurs ont identifié la structure de l’iodure de plomb de formamidinium à basse température. Ils ont également pu voir que les molécules de formamidinium restent bloquées dans un état semi-stable pendant que le matériau se refroidit. Pour s’assurer que leurs modèles d’étude reflètent la réalité, ils ont collaboré avec des chercheurs expérimentaux de l’Université de Birmingham. Ils ont refroidi le matériau à -200 °C pour s’assurer que leurs expériences correspondaient aux simulations.
« Nous espérons que les connaissances que nous avons acquises grâce aux simulations pourront contribuer à la modélisation et à l’analyse de matériaux complexes de pérovskites aux halogénures à l’avenir », déclare Erik Fransson, du Département de physique de Chalmers.
