Des chercheurs développent de nouveaux matériaux pour l’énergie et la détection

Une équipe de chercheurs du MIT et de la Northwestern University a démontré sa capacité à affiner les propriétés électroniques des matériaux pérovskites hybrides, qui ont suscité un énorme intérêt en tant que matériaux optoélectroniques de prochaine génération potentiels pour des appareils tels que les cellules solaires et les sources lumineuses.

Les matériaux sont classés comme «hybrides» car ils contiennent des composants inorganiques comme les métaux, ainsi que des molécules organiques avec des éléments comme le carbone et l’azote, organisés en couches nanométriques. Dans un article publié en ligne cette semaine dans Chimie de la nature, les chercheurs ont montré qu’en variant stratégiquement la composition des couches organiques, ils pouvaient régler la couleur de la lumière absorbée par la pérovskite ainsi que la longueur d’onde à laquelle le matériau émettait de la lumière. Surtout, ils ont accompli ceci sans changer substantiellement le composant inorganique.

«Jusqu’à présent, la plupart des preuves expérimentales et théoriques indiquaient que les couches organiques agissaient simplement comme des espaceurs inertes dont le seul rôle était de séparer les couches inorganiques électroniquement actives», déclare Will Tisdale, professeur de développement de carrière ARCO en études énergétiques au MIT et co-correspondant auteur sur le papier. « Ces nouveaux résultats montrent que nous pouvons apprendre à la couche organique à faire beaucoup plus. »

«Notre laboratoire s’est intéressé à la conception de nouveaux matériaux hybrides qui combinent des composants inorganiques et organiques afin de créer des propriétés synergiques, et c’est précisément ce que nous avons fait dans ce travail sur les matériaux énergétiques passionnants appelés pérovskites», déclare Samuel Stupp , Conseil d’administration Professeur de chimie, science et génie des matériaux, médecine et génie biomédical à Northwestern et co-auteur correspondant sur l’article.

Les pérovskites, découvertes pour la première fois en tant que minéraux naturels dans les montagnes de l’Oural il y a près de 200 ans, ont fait l’objet d’études approfondies au cours de la dernière décennie après avoir déterminé qu’elles pouvaient transformer la lumière en électricité utilisable. Ces matériaux sont considérés comme une clé possible pour un avenir énergétique durable car ils sont moins chers à fabriquer que les cellules solaires à base de silicium populaires et peuvent convertir la lumière en électricité presque aussi efficacement.

Cependant, les cellules solaires en pérovskite sont beaucoup moins durables et stables dans des conditions extérieures en raison de leur sensibilité à la chaleur et à l’humidité. Les scientifiques ont récemment découvert que la division de la structure 3D traditionnelle des pérovskites en plusieurs couches minces – allant de quelques atomes d’épaisseur à des dizaines d’atomes d’épaisseur – améliore la stabilité et les performances.

Dans les pérovskites en couches, la couche inorganique absorbe la lumière et produit les charges qui sont éventuellement nécessaires pour produire de l’énergie électrique. Les couches organiques sont généralement isolantes et agissent comme des murs géants empêchant les charges générées par la lumière de sortir de la couche inorganique.

«Cette collaboration a été passionnante parce que les matériaux que le groupe Stupp nous a envoyés du nord-ouest correspondaient exactement aux questions que nous nous posions au MIT, sur la façon dont les excitons dans les couches inorganiques de la pérovskite pourraient être influencés par les propriétés de l’organique. couches « , explique Katie Mauck, un ancien post-doctorant dans le groupe Tisdale et maintenant professeur adjoint de chimie au Kenyon College. Avec James Passarelli, un étudiant diplômé du groupe Stupp, elle est co-premier auteur de l’article. « L’approche modulaire de James à la synthèse de pérovskite nous a permis d’ajuster de manière contrôlable l’interaction entre ces couches et d’étudier les effets sur la dynamique des excitons en profondeur, par spectroscopie dans le laboratoire de Tisdale. »

«Lorsque la lumière est absorbée par des semi-conducteurs tels que les pérovskites, les électrons avec leur charge négative acquièrent de l’énergie et s’éloignent», explique Stupp. «Cela met en place une force attractive avec les sites chargés positivement qu’ils laissent derrière eux, puisque la matière veut être neutre. Nous avons pu contrôler l’ampleur de cette force en incorporant des types spécifiques de molécules dans les couches organiques, ce qui à son tour modifie leur intérêt. Propriétés. »

La collaboration Northwestern-MIT a commencé après une rencontre fortuite entre Mauck et un membre du laboratoire Stupp lors d’une conférence scientifique à l’été 2018. Le laboratoire Stupp avait auparavant effectué un travail de pionnier sur la synthèse de matériaux hybrides inorganiques et organiques pour des applications potentielles dans l’énergie et la médecine, tandis que le groupe Tisdale est spécialisé dans l’utilisation de lasers pour sonder les propriétés des nanomatériaux.

Ces intérêts se chevauchaient parfaitement pour ce projet, car le groupe Stupp a développé les structures hybrides de pérovskite et le groupe Tisdale a effectué les mesures spectroscopiques précises nécessaires pour confirmer les interactions au sein des systèmes.

À l’avenir, la capacité d’affiner les propriétés électroniques de ces matériaux pourrait être appliquée à divers capteurs optiques ou électroniques – y compris des capteurs moléculaires qui tirent parti de la présence de couches organiques – ainsi que des cellules solaires et des détecteurs de lumière.

«En plus d’une voie vers des dispositifs optoélectroniques améliorés, ce travail souligne certains des avantages uniques des semi-conducteurs à l’échelle nanométrique, qui sont plus sensibles à leur environnement environnant que les matériaux en vrac», dit Tisdale. « Les leçons que nous avons apprises dans le contexte des pérovskites hybrides en couches peuvent être étendues à de nombreux autres matériaux émergents. »

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.