Un processus développé par les ingénieurs et collaborateurs de Rice produit des couches de cristaux de pérovskite aux halogénures 2D d’une épaisseur et d’une pureté idéales grâce au contrôle dynamique du processus de cristallisation – une étape clé pour garantir la stabilité des dispositifs optoélectroniques et photovoltaïques. Crédit : Photo de Jeff Fitlow/Rice University
Une étude menée par l’Université Rice résout avec succès le goulot d’étranglement de la synthèse des pérovskites aux halogénures 2D en contrôlant la cristallisation dynamique.
Les progrès récents en matière d’efficacité des cellules solaires ont été considérablement influencés par l’utilisation de matériaux captant la lumière tels que les pérovskites aux halogénures. Cependant, produire ces matériaux de manière cohérente et à grande échelle reste une tâche complexe.
Un processus développé par Aditya Mohite, ingénieur chimiste et biomoléculaire de l’Université Rice, et ses collaborateurs de Université du nord-ouestl’Université de Pennsylvanie et l’Université de Rennes produisent des couches semi-conductrices 2D à base de pérovskite d’une épaisseur et d’une pureté idéales en contrôlant la température et la durée du processus de cristallisation.
Wenbin Li est étudiant diplômé de l’Université Rice et co-auteur d’une étude publiée dans Nature Synthesis. Crédit : Photo de Jeff Fitlow/Rice University
Connu sous le nom de confinement spatial à contrôle cinétique, le processus pourrait contribuer à améliorer la stabilité et à réduire le coût des technologies émergentes à base de pérovskite aux halogénures comme l’optoélectronique et le photovoltaïque.
Surmonter les goulots d’étranglement de la synthèse
« La production de cristaux de pérovskite 2D avec des épaisseurs de couche ⎯ ou épaisseur de puits quantique, également connue sous le nom de « valeur n » ⎯ supérieure à deux est un goulot d’étranglement majeur », a déclaré Jin Hou, titulaire d’un doctorat. étudiant à la George R. Brown School of Engineering de Rice, auteur principal d’une étude sur le processus publiée dans Synthèse naturelle. « Une valeur n supérieure à quatre signifie que les matériaux ont une bande interdite plus étroite et une conductivité électrique plus élevée, un facteur crucial pour les applications dans les appareils électroniques. »
Au fur et à mesure qu’ils se transforment en cristaux, les atomes ou les molécules s’organisent en réseaux réguliers et hautement organisés. La glace, par exemple, a 18 arrangements atomiques ou phases possibles. Comme les atomes d’hydrogène et d’oxygène dans la glace, les particules qui composent les pérovskites halogénures peuvent également former plusieurs arrangements de réseau. Étant donné que les propriétés des matériaux dépendent de la phase, les scientifiques visent à synthétiser des couches de pérovskite aux halogénures 2D ne présentant qu’une seule phase. Le problème, cependant, est que les méthodes de synthèse traditionnelles pour les pérovskites 2D à valeur n plus élevée génèrent une croissance cristalline inégale, ce qui a un impact sur la fiabilité des performances du matériau.
Aditya Mohite est professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire et directeur pédagogique de la Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, ou REINVENTS. Crédit : Photo gracieuseté d’Aditya Mohite/Rice University
« Dans les méthodes traditionnelles de synthèse de pérovskite 2D, vous obtenez des cristaux avec des phases mixtes en raison du manque de contrôle sur la cinétique de cristallisation, qui est essentiellement l’interaction dynamique entre la température et le temps », a déclaré Hou. « Nous avons conçu un moyen de ralentir la cristallisation et d’ajuster progressivement chaque paramètre cinétique pour atteindre le point idéal pour une synthèse en phase pure. »
Nouvelle méthodologie pour les cristaux phase-pure
En plus de concevoir une méthode de synthèse permettant d’obtenir une augmentation progressive de la valeur n dans les pérovskites aux halogénures 2D, les chercheurs ont également créé une carte ⎯ ou diagramme de phases ⎯ du processus par caractérisation, spectroscopie optique et apprentissage automatique.
Jin Hou est étudiant diplômé de l’Université Rice et auteur principal d’une étude publiée dans Nature Synthesis. Crédit : Photo gracieuseté de Jin Hou
« Ce travail repousse les limites de la synthèse de pérovskites 2D à puits quantiques supérieurs, ce qui en fait une option viable et stable pour une variété d’applications », a déclaré Hou.
« Nous avons développé une nouvelle méthode pour améliorer la pureté des cristaux et résolu une question de longue date dans le domaine sur la façon d’aborder la synthèse de cristaux à haute valeur n et à phase pure », a déclaré Mohite, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire. et la science des matériaux et la nano-ingénierie dont le laboratoire a mis au point diverses méthodes pour améliorer la qualité et les performances des semi-conducteurs aux halogénures pérovskites, depuis l’étalonnage de l’étape initiale de cristallisation jusqu’au réglage fin de la conception du solvant.
« Cette percée en recherche est essentielle pour la synthèse de pérovskites 2D, qui sont la clé pour atteindre une stabilité commercialement pertinente pour les cellules solaires et pour de nombreuses autres applications de dispositifs optoélectroniques et pour les interactions fondamentales lumière-matière », a ajouté Mohite.
La recherche a été soutenue par les fonds de démarrage de l’Université Rice dans le cadre de l’initiative de nanotechnologie moléculaire, l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du ministère de l’Énergie (2022-1652) et son Bureau des sciences (DE-SC0012704), le Bureau de recherche de l’armée (W911NF2210158, W911NF1910109). ), le China Scholarships Council (202107990007), la National Science Foundation (2025633, 1920248) et son Graduate Research Fellowship Program, l’Office of Naval Research (N000142012725), la Northwestern University, la Fondation Alfred P. Sloan, le Fonds national suisse de la recherche scientifique. (P2ELP2_187977), Institut Universitaire de France et Horizon 2020 de l’Union européenne (861985).
