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De nouveaux matériaux créent des panneaux solaires auto-réparables



Les pérovskites doubles présentent des propriétés d’auto-guérison après avoir été endommagées par un faisceau laser, ouvrant la voie à leur utilisation dans la conception de dispositifs.

Le domaine des matériaux d’auto-guérison qui ouvrira la voie à des appareils qui se réparent également eux-mêmes, tels que les téléphones portables capables de réparer leurs propres écrans lorsqu’ils se fissurent, est en constante expansion.

L’une des dernières technologies à émerger de ce domaine vient des scientifiques du Technion, l’Institut de technologie d’Israël, qui ont développé un groupe de semi-conducteurs à nanocristaux respectueux de l’environnement capables de s’auto-réparer grâce à des matériaux appelés pérovskites doubles.

Les pérovskites sont des matériaux composés avec une structure cristalline qui ont longtemps été considérés comme un matériau de nouvelle génération leader dans les cellules solaires pour compléter ou remplacer le silicium. Le matériau présente un certain nombre d’avantages par rapport au silicium, notamment une efficacité supérieure et des coûts de production de cellules inférieurs.

Cependant, bon nombre des pérovskites utilisées pour les cellules solaires sont à base de plomb, ce qui a suscité des préoccupations environnementales. Pour cette raison, le groupe de recherche Technion du professeur Yehonadav Bekenstein de la Faculté des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’institut et du Solid-State Institute a cherché des alternatives vertes au plomb et a conçu des pérovskites sans plomb.

Cependant, « en raison de la moindre efficacité des dispositifs sans plomb, les propriétés des matériaux doivent s’améliorer pour rivaliser » avec les dispositifs utilisant des pérovskites à base de plomb, ont écrit les chercheurs dans un résumé pour un article sur leur travail dans la revue. Matériaux fonctionnels avancés.

Dans les travaux décrits dans l’article, les chercheurs démontrent des pérovskites doubles sans plomb qui présentent des propriétés d’auto-guérison après avoir été endommagées par le rayonnement d’un faisceau d’électrons, ont-ils déclaré. Ils ont atteint leur objectif en synthétisant des cristaux à l’échelle nanométrique de nouveaux matériaux, en contrôlant la composition, la forme et la taille des cristaux pour modifier les propriétés physiques du matériau.

Manipulation des particules

Les chercheurs attribuent le succès de la découverte d’une pérovskite auto-réparatrice sans plomb en se concentrant sur les nanocristaux, les plus petites particules matérielles des pérovskites qui restent naturellement stables, ont-ils déclaré. En effet, l’utilisation de la pérovskite dans les cellules solaires a été confrontée à des problèmes de stabilité.

La petite taille de ces nanomatériaux rend certaines propriétés plus prononcées, permettant ainsi des approches de recherche qui seraient impossibles sur des cristaux plus gros, ont déclaré les chercheurs. Une méthode que l’équipe a utilisée était l’imagerie au microscope électronique pour voir comment les atomes dans les matériaux se déplacent, ce qui est finalement la façon dont ils ont découvert l’auto-réparation dans les pérovskites sans plomb.

Laboratoire Bekenstein, Technion, Institut de technologie d’IsraëlMatériel d'autoguérison.jpg

Les images de microscopie électronique montrent la formation du trou à la surface du nanocristal et son mouvement vers l’intérieur.

Les chercheurs ont produit les nanoparticules de pérovskite dans le laboratoire de Bekenstein en utilisant un processus simple et court qui consiste à chauffer le matériau à 100 degrés C pendant quelques minutes.

doctorat Les étudiants Sasha Khalfin et Noam Veber travaillant sous la direction du professeur ont ensuite examiné les particules à l’aide d’un microscope électronique à transmission, ce qui a conduit à une découverte qui leur a permis de faire une percée dans leur travail. Ce qu’ils ont vu, c’est que le faisceau d’électrons à haute tension utilisé par le microscope provoquait des défauts et des trous dans les nanocristaux.

Observer l’autoréparation

Les chercheurs ont utilisé cela comme tremplin pour explorer comment les trous interagissent avec le matériau qui les entoure et se déplacent et se transforment en son sein, ont-ils déclaré. Ce qu’ils ont remarqué, c’est que les trous se déplaçaient librement à l’intérieur du nanocristal, mais évitaient ses bords.

L’analyse de dizaines de vidéos réalisées avec le microscope électronique a stimulé le développement d’un code pour aider l’équipe à comprendre la dynamique de mouvement se produisant dans le cristal, ont-ils déclaré. Ils ont découvert que des trous se formaient à la surface des nanoparticules, puis se déplaçaient vers des zones énergétiquement stables à l’intérieur.

Sur la base de ces observations, les chercheurs ont supposé que la raison pour laquelle les trous se sont déplacés vers l’intérieur pourrait être attribuée aux molécules organiques recouvrant la surface des nanocristaux, que l’équipe a retirées. Une fois cela fait, le cristal a spontanément éjecté les trous vers la surface et est revenu à sa structure primitive d’origine, en d’autres termes, il s’est guéri.

« L’étude suggère que le réglage de la densité du ligand organique influence la stabilité structurelle et la tolérance aux défauts cristallins dans les pérovskites doubles », ont expliqué les chercheurs dans le résumé de l’article.

Les chercheurs ont déclaré que leur découverte est une étape importante vers la compréhension des processus qui permettent aux nanoparticules de pérovskite de se guérir, ouvrant ainsi la voie à leur incorporation dans les panneaux solaires et autres appareils électroniques.

« La conception de surfaces dotées de propriétés d’auto-guérison inhérentes peut augmenter l’efficacité des futurs appareils basés sur ces matériaux », ont-ils écrit dans le document.

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