La consommation mondiale d’électricité augmente à un rythme sans précédent. Selon l’Agence internationale de l’énergie, l’électricité devrait représenter plus de 50 % de la consommation mondiale d’énergie au cours des 25 prochaines années, contre 20 % actuellement. Cela crée un besoin pressant de méthodes de conversion d’énergie durables et efficaces, en particulier de technologies solaires avancées.
« Pour répondre à la demande, il existe un besoin important et croissant de nouvelles méthodes de conversion d’énergie efficaces et respectueuses de l’environnement, telles que des cellules solaires plus efficaces. Nos découvertes sont essentielles pour concevoir et contrôler l’un des matériaux de cellules solaires les plus prometteurs pour une utilisation optimale. Il est très intéressant que nous disposions désormais de méthodes de simulation capables de répondre à des questions non résolues il y a quelques années à peine », déclare Julia Wiktor, chercheuse principale et professeure associée à l’Université de technologie Chalmers.
Pérovskites aux halogénures : une classe de matériaux prometteuse
Parmi les candidats les plus prometteurs pour les cellules solaires de nouvelle génération figurent les pérovskites aux halogénures. Ces matériaux sont économiques, légers, flexibles et très efficaces pour absorber et émettre de la lumière. Ils présentent également un potentiel pour des applications au-delà de l’énergie solaire, comme dans l’éclairage LED et d’autres dispositifs optoélectroniques.
Toutefois, des défis demeurent. Les pérovskites aux halogénures sont sujettes à une dégradation rapide, et un composé en particulier, l’iodure de plomb de formamidinium, offre d’excellentes propriétés optoélectroniques mais souffre d’instabilité. Les chercheurs pensent que la stabilité peut être améliorée en mélangeant différents types de pérovskites aux halogénures, mais des connaissances plus approfondies sont nécessaires sur leur comportement structurel.
Déverrouiller la clé de la conception matérielle
Une équipe de l’Université Chalmers a maintenant fourni de nouvelles connaissances sur une phase à basse température de l’iodure de plomb formamidinium qui a longtemps intrigué les scientifiques. Leurs découvertes ouvrent la porte à un meilleur contrôle et à une meilleure conception du composé pur et de ses mélanges. La recherche a été récemment publiée dans le Journal de l’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 désormais résolu une question fondamentale concernant la structure de cette phase », explique Sangita Dutta, chercheuse à Chalmers.
L’apprentissage automatique accélère la découverte
La modélisation des pérovskites aux halogénures est notoirement difficile en raison de leurs comportements complexes, nécessitant des superordinateurs et des temps de simulation importants. L’équipe Chalmers a surmonté ce problème en combinant les méthodes de simulation traditionnelles avec l’apprentissage automatique, ce qui a permis d’exécuter des simulations beaucoup plus longues et de modéliser des systèmes comportant des millions d’atomes, bien plus proches des conditions du monde réel.
« En combinant nos méthodes standards 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 désormais contenir des millions d’atomes au lieu de centaines, ce qui les rapproche du monde réel », explique Dutta.
Relier les simulations et les expériences
Les chercheurs ont confirmé leurs modèles grâce à une collaboration avec des collègues de l’Université de Birmingham, qui ont refroidi le matériau à -200°C. Les expériences ont révélé que les molécules de formamidinium sont piégées dans des états semi-stables pendant le refroidissement, ce qui concorde avec les résultats simulés.
«Nous espérons que les informations que nous avons tirées des simulations pourront contribuer à la manière de modéliser et d’analyser des matériaux pérovskites aux halogénures complexes à l’avenir», déclare Erik Fransson, département de physique de Chalmers.
Points clés à retenir
- La demande d’électricité dépassera 50 % de la consommation mondiale d’énergie d’ici 25 ans.
- Les pérovskites aux halogénures sont très prometteuses pour les cellules solaires mais nécessitent une meilleure stabilité.
- Les chercheurs de Chalmers ont clarifié la phase à basse température, longtemps débattue, de l’iodure de plomb formamidinium.
- L’apprentissage automatique a permis des simulations plus longues et à plus grande échelle pour une modélisation précise.
- Les résultats ont été validés expérimentalement en collaboration avec l’Université de Birmingham.
Foire aux questions
Quelle est l’importance de la phase basse température dans les cellules solaires à pérovskite FAPbI3 ?
La phase basse température du FAPbI3 est importante car elle présente une structure désordonnée qui affecte la stabilité et les performances du matériau. Comprendre cette phase permet de clarifier le comportement du matériau dans différentes conditions, ce qui est crucial pour améliorer l’efficacité des cellules solaires.
Comment la dynamique des cations organiques influence-t-elle les propriétés du FAPbI3 ?
La dynamique des cations organiques, comme les molécules FA, joue un rôle clé dans la détermination de la stabilité de phase et des propriétés électroniques du matériau. Leur comportement peut conduire à un piégeage cinétique dans des phases moins stables, ce qui peut affecter les performances globales des cellules solaires.
Quel rôle jouent les potentiels interatomiques appris par machine dans l’étude de FAPbI3 ?
Les potentiels interatomiques appris par machine permettent aux chercheurs de simuler efficacement la dynamique à l’échelle atomique de FAPbI3, en capturant des comportements complexes sans les coûts de calcul élevés des méthodes traditionnelles. Cela permet de prédire avec précision les phases du matériau et de comprendre sa dynamique.
