La machine de découverte des cellules solaires

À l’aide de cristaux connus sous le nom de pérovskites, les cellules solaires battent de plus en plus de records dans la façon dont elles convertissent la lumière du soleil en électricité. Désormais, un nouveau système automatisé pourrait faire tomber ces records encore plus rapidement. Le RoboMapper de la North Carolina State University peut analyser les performances des pérovskites dans les cellules solaires, en utilisant environ un dixième à un cinquantième du temps, du coût et de l’énergie du travail manuel ou des plates-formes robotiques précédentes, selon ses inventeurs.

Le plus commun cellules solaires utiliser silicium convertir la lumière en électricité. Ces dispositifs approchent rapidement leur limite théorique d’efficacité de conversion de 29,4 % ; les cellules solaires au silicium commerciales modernes atteignent maintenant des rendements de plus de 24 %, et la meilleure cellule de laboratoire a un rendement de 26,8 %.

Une stratégie pour augmenter l’efficacité d’une cellule solaire consiste à empiler deux matériaux différents absorbant la lumière dans un seul appareil. Ce tandem augmente le spectre de la lumière solaire que la cellule solaire peut récolter. Une approche courante avec les cellules tandem consiste à utiliser une cellule supérieure en pérovskites pour absorber la lumière visible à haute énergie et une cellule inférieure en silicium pour les rayons infrarouges à faible énergie. L’année dernière les scientifiques ont dévoilé les premières cellules solaires en tandem pérovskite-silicium à franchir le seuil d’efficacité de 30%, et le mois dernier un autre groupe a signalé le même jalon.

La recherche sur les matériaux conventionnels demande aux scientifiques de préparer un échantillon sur une puce, puis de passer par plusieurs étapes pour l’examiner à l’aide de différents instruments. Les efforts d’automatisation existants “ont tendance à imiter les flux de travail humains – nous avons tendance à traiter les matériaux un paramètre à la fois”, déclare Aram Amassienspécialiste des matériaux à la North Carolina State University, à Raleigh.

La plus grande réduction de l’impact environnemental de RoboMapper est venue de l’amélioration de l’efficacité énergétique lors des tests.

Cependant, la génétique moderne et l’analyse pharmaceutique atteignent souvent un débit élevé en plaçant des dizaines d’échantillons sur chaque plaque et en les examinant tous en même temps. RoboMapper suit également cette stratégie en utilisant des techniques d’impression pour miniaturiser les échantillons de matériaux.

« Nous avons beaucoup profité de l’interopérabilité du matériel avec la biologie et la chimie, comme dans la manipulation des liquides », déclare Amassian. Cependant, pour RoboMapper, Amassian et son équipe ont dû développer de nouveaux protocoles pour manipuler les matériaux pérovskites et différentes expériences de caractérisation de ce que vous trouveriez dans l’automatisation de la chimie. “Un développement particulier que nous avons dû faire est de nous assurer que les instruments de caractérisation peuvent gérer la haute densité de matériaux sur une puce avec automatisation. Cela a nécessité un peu d’ingénierie à la fois du côté matériel et logiciel.

L’une des clés pour économiser du temps, de l’énergie, du matériel et de l’argent était de réduire la taille de l’échantillon d’un facteur de 1 000. “La taille d’impression est de l’ordre de 50 à 150 [micrometers], tandis que la plupart des autres outils créent des échantillons de l’ordre du centimètre », explique Amassian. “Généralement, nous imprimons des volumes de picolitres à nanolitres tandis que d’autres plateformes impriment ou enduisent des microlitres.”

Propriétés de la pérovskite pour les centimes

Lors des premiers tests de RoboMapper, les scientifiques ont analysé 150 compositions de pérovskites différentes. Au total, RoboMapper coûtait 12 % du prix, était neuf fois plus rapide et 18 fois plus économe en énergie que les autres plates-formes robotiques. Et c’était 2 % moins cher, 14 fois plus rapide et 26 fois plus économe en énergie que le travail manuel.

“Nous avons décidé de construire un robot capable de générer de grandes bibliothèques de matériaux afin de pouvoir créer des ensembles de données pour la formation de modèles d’IA à l’avenir”, explique Amassian. Une telle IA pourrait alors prédire quelles structures de pérovskite fonctionneront le mieux.

Université d’État de Caroline du Nord

Les chercheurs se sont concentrés sur la stabilité des pérovskites, qui est un défi majeur lorsqu’il s’agit de cellules tandem. Les pérovskites ont tendance à se dégrader lorsqu’elles sont exposées à la lumière, perdant les propriétés qui les rendaient désirables en premier lieu, explique Amassian.

Les scientifiques ont analysé la structure de la pérovskite, ses propriétés électroniques et sa stabilité en réponse à une lumière intense à l’aide de la microscopie optique, de la cartographie par spectroscopie de microphotoluminescence et de la cartographie par diffusion de rayons X à grand angle basée sur le synchrotron. Ces données expérimentales ont ensuite été utilisées pour développer des modèles informatiques qui ont identifié une composition spécifique qui, selon les chercheurs, aurait la meilleure combinaison d’attributs.

“Ces modèles sont maintenant disponibles pour que d’autres puissent les utiliser”, déclare Amassian. Il note qu’ils sont actuellement en pourparlers avec les principaux groupes de recherche sur les cellules solaires en tandem.

De manière inattendue, les scientifiques ont découvert que la plus grande réduction de l’impact environnemental de RoboMapper provenait de l’amélioration de l’efficacité énergétique lors des tests.

“Nous et d’autres n’avons pas réalisé cela, car l’électricité utilisée par les instruments dans le laboratoire est invisible, alors que les matériaux et les fournitures sont tangibles”, explique Amassian. « RoboMapper a été conçu en partie pour résoudre ce problème insidieux en plaçant des dizaines de matériaux dans les mêmes outils de mesure et en réduisant considérablement le temps nécessaire à sa mise sous tension pour collecter des données. Nous avons montré qu’il était possible de réduire de dix fois l’empreinte carbone et d’autres impacts négatifs sur l’environnement. »

À l’avenir, “nous continuerons à rechercher des pérovskites plus récentes et meilleures”, déclare Amassian. « Nous recherchons également activement des matériaux de cellules solaires organiques pour trouver des compositions stables pour les applications d’énergie solaire. La possibilité de tester des dizaines de compositions sous une lumière solaire simulée intense permet d’économiser énormément de temps et d’énergie. »

Les scientifiques ont détaillé leurs trouvailles en ligne le 25 juillet dans le journal Matière.