Matériaux pérovskites pour la réfrigération magnétique, les cellules photovoltaïques et la production d’hydrogène vert

Abstract

Les chercheurs scientifiques travaillent depuis plus d’une décennie pour développer une technologie basée sur l’oxyde pérovskite, un nouveau type qui pourrait révolutionner le secteur des énergies renouvelables. La grande dépendance à son égard dans les énergies renouvelables est due à sa composition simple et à la possibilité de l'obtenir en laboratoire, ce qui signifie que nous pouvons le former à partir de métaux dans n'importe quelle quantité que nous voulons. De plus, l'oxyde pérovskite permet de changer les caractéristiques physiques d’un matériau par de nombreuses substitutions ioniques pour être utilisées dans les applications souhaitées. En revanche, ces oxydes pérovskites ne polluent pas l’atmosphère et ne laissent aucun déchet lors de la production d’énergie. Contrairement au silicium qui, bien qu'il soit abondant, présente des inconvénients liés à l’efficacité, à la complexité de fabrication et à la pollution. L'oxyde pérovskite est également important pour le stockage d'hydrogène vert, en l'utilisant dans un processus de production d'hydrogène utilisant l'électrolyse de l'eau, contrairement aux métaux coûteux tels que le platine et l'iridium qui sont actuellement utilisés dans cette méthode. Par ailleurs, les oxydes pérovskites à base de manganèse présentent un effet magnétocalorique géant, ce qui les rend particulièrement adaptées aux applications de production d'énergie et de la réfrigération magnétique, notamment à température ambiante ou proche. Cependant, les oxydes pérovskites présentent certains inconvénients qui doivent être pris en compte, notamment la dégradation de leurs performances au fil du temps lorsqu'ils sont exposés à la lumière du soleil, ainsi que leur tendance à se décomposer lorsqu'ils interagissent avec des molécules d'eau. L'objectif de mon travail de thèse est de mener une étude théorique des nouveaux matériaux oxydes pérovskites adaptées à la réfrigération magnétique, la production d’hydrogène vert et les cellules photovoltaïques. Ces oxydes pérovskites que nous avons adoptés dans ce rapport de thèse sont : BaFeO3, BiFeO3, CsBrO3, GdCrO3, La0,75Sr0,25MnO3, Pr0,65Sr0,35MnO3, Ba0,8Sr0,2FeO3 et CsBr0,34Fe0,66O3. Pour réaliser cette étude, deux méthodes ont été mises en oeuvre : Nous avons effectué dans un premier lieu la méthode des ondes planes augmentées linéarisées à potentiel total (FP-LAPW), basée sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) implémenté sur le package Wien2k afin de déterminer des propriétés physiques telles que : structurales, électroniques, optiques, photovoltaïques, photocatalytiques, l’efficacité quantique, magnétiques et thermoélectriques. En supplément, les propriétés thermoélectriques ont été étudiées en utilisant la théorie semi-classique de Boltzmann moyennant le code BoltzTrap. Le potentiel d’échange-corrélation est traité d’une part avec l’approximation du gradient généralisé (GGA-PBE), et d’autre part avec l’approximation GGA+U dans laquelle un terme Hubbard-U supplémentaire a été ajouté, pour le traitement des interactions électron-électron (3d,4f) fortes sur les sites atomiques et finalement pour améliorer l’énergie gap (Énergie de bande interdite), nous avons utilisé l’approximation TB-mBJ (Tran and Blaha modified Becke-Johnson potentiel). Dans deuxième lieu nous avons effectué la simulation Monte Carlo afin de déterminer les propriétés magnétiques, ferroélectriques et l’effet magnétocalorique. Les paramètres magnétiques tels que le moment magnétique de spin et les constantes de couplages magnétiques utilisés dans les données d'entrée du programme Monte Carlo sont calculés à l'aide de DFT.