„Pe lângă alte proiecte, suntem implicați în dezvoltarea de dispozitive pentru identificarea biomarkerilor pentru afecțiuni respiratorii” – interviu cu dr. Nicolae Filipoiu

În cadrul celei de-a șaptea ediții a Premiilor Senatului Universității din București, publicația Capacitive and Inductive Effects in Perovskite Solar Cells: The Different Roles of Ionic Current and Ionic Charge Accumulationa primit distincția pentru „cel mai prestigios articol” în domeniul Științelor Exacte și Ingineriei.

Articolul este rezultatul unei colaborări exemplare și este semnat de  11 de co-autori, membri ai unei echipe multidisciplinare internaționale din care fac parte și cercetători, doctoranzi și cadre didactice afiliate Facultății de Fizică a UB.

Abstractul articolului câștigător și componența colectivului de co-autori pot fi accesate aici.

Despre provocările în cercetarea științifică, colaborarea între membrii unui colectiv internațional de experți, importanța ,,echilibrului” necesar unei abordări interdisciplinare și, mai ales, proiecte de cercetare din prezent am stat de vorbă cu  dr. Nicolae Filipoiu, co-autor al articolului, cercetător și absolvent al Școlii Doctorale de Fizică din cadrul UB.

Reporter: Ați câștigat din nou, în cadrul celei de-a șaptea ediții a Premiilor Senatului Universității din București, distincția pentru „cel mai prestigios articol” în domeniul Științelor Exacte și Ingineriei. Ce a însemnat pentru dumneavoastră obținerea acestui premiu?

Nicolae Filipoiu: Obținerea distincției pentru „cel mai prestigios articol” în cadrul Premiilor Senatului Universității din București, pentru a doua oară, reprezintă o validare a muncii noastre de cercetare și o recunoaștere a eforturilor depuse în avansarea cunoașterii în domeniul nostru de activitate. Este un moment de satisfacție profesională, deoarece confirmă impactul contribuțiilor  științifice și valoarea acestora pentru comunitatea academică. Această recunoaștere nu este doar o motivație personală pentru a continua cercetarea, dar și un simbol al importanței colaborării și inovației într-un domeniu atât de dinamic.

R.: Având în vedere că articolul Capacitive and Inductive Effects in Perovskite Solar Cells: The Different Roles of Ionic Current and Ionic Charge Accumulation a avut parte de o receptare pozitivă, vă rugăm să ne spuneți mai multe despre acesta. Cum s-a conturat acest proiect editorial și ce îl face atât de important?

N.F.: Domeniul celulelor fotovoltaice perovskitice mixte (organice-anorganice) este unul relativ tânăr, care a captat rapid atenția cercetătorilor la nivel global datorită costurilor reduse de procesare și eficiențelor ridicate de conversie a luminii în energie electrică. În acest context, studiul nostru, „Capacitive and Inductive Effects in Perovskite Solar Cells: The Different Roles of Ionic Current and Ionic Charge Accumulation”, investighează în detaliu cauzele apariției histerezisului dinamic în măsurătorile curent-tensiune ale celulelor perovskitice, atunci când acestea sunt iluminate și testate la  diferite rate de scanare. Într-adevăr, lucrarea beneficiază de o atenție deosebită din partea unor grupuri de prestigiu din domeniul, fapt remarcat și prin citările în reviste de prestigiu precum Advanced Energy Materials, PRX Energy, The Journal of Physical Chemistry Letters,  ACS Energy Letters.

Histerezisul dinamic poate distorsiona semnificativ măsurătorile eficienței de conversie a luminii, ceea ce poate duce la erori în evaluarea performanței celulelor. Importanța acestui studiu constă în propunerea unui model de circuit echivalent care explică și cuantifică atât efectele capacitive, cât și pe cele inductive. Această abordare inovatoare contribuie la o mai bună înțelegere a fenomenului și la îmbunătățirea metodelor de evaluare a performanței și stabilității celulelor fotovoltaice perovskitice, ceea ce face cercetarea noastră extrem de valoroasă pentru comunitatea științifică.

R.: Având în vedere că procesul de elaborare a articolului a fost unul complex, fiind un studiu extrem de specific la care ați colaborat cu mai mulți colegi de la  institute și universități din străinătate, ce dificultăți ați întâmpinat și care au fost cele mai mari provocări, mai ales că ați lucrat într-o echipă multidisciplinară internațională de 11 de co-autori?

N.F.: Elaborarea acestui articol a fost, într-adevăr, un proces complex, atât din punct de vedere științific, cât și din punct de vedere organizatoric, mai ales datorită colaborării cu o echipă internațională de 11 co-autori. Una dintre principalele provocări a fost coordonarea eficientă a eforturilor într-o echipă multidisciplinară, în care fiecare membru aducea o expertiză specifică – de la producerea dispozitivelor, la măsurarea acestor fenomene fizice atât prin modelarea lor matematică, cât și  computațională. A fost esențial să integrăm aceste perspective diferite și să asigurăm coerența tuturor contribuțiilor, mai ales când fiecare membru avea un rol clar în definirea experimentelor și interpretarea datelor.

O altă dificultate majoră a fost legată de diferențele de fus orar și de stilurile de lucru. Comunicarea constantă și menținerea unui flux de lucru unitar, în special pe măsură ce ne apropiam de finalizarea studiului, au necesitat o planificare riguroasă și multă flexibilitate din partea tuturor. Provocările științifice nu au fost mai puțin semnificative. Modelul de circuit echivalent propus a necesitat o muncă intensă de validare experimentală și teoretică, iar integrarea datelor colectate din laboratoare diferite a adus propriile dificultăți tehnice. Cu toate acestea, diversitatea echipei a fost un avantaj important, deoarece ne-a permis să abordăm problemele din mai multe unghiuri și să dezvoltăm soluții inovatoare. În final, aceste provocări au consolidat rezultatul final, iar colaborarea internațională ne-a ajutat să oferim un studiu cu un impact considerabil în domeniu.

R.: Care au fost principalele instrumente, resurse pe care le-ați utilizat în realizarea studiului, precum și metodele de cercetare folosite? Articolul este susținut de foarte multe grafice, statistici și diagrame.

N.F.: În realizarea acestui studiu, am utilizat o gamă largă de instrumente și resurse, atât experimentale, cât și teoretice. Pe partea experimentală, am folosit tehnici avansate de caracterizare a celulelor fotovoltaice perovskitice, inclusiv măsurători curent-tensiune la rate de scanare variate, tehnici de spectroscopie de impedanță.

Pe partea teoretică, a fost creat un model dinamic care simulează o celulă fotovoltaică perovskitică în condiții de iluminare, pentru a înțelege fenomenele fizice care stau la baza efectului de histerezis dinamic. Modelul dinamic are la bază un circuit electric echivalent compus din elemente standard la care a fost adăugată o secțiune nouă de circuit care modelează curentul de recombinare pornind de la acumulările ionice. Modelul nostru s-a bazat pe metode de simulare numerică și analize de date, integrate cu ajutorul unor coduri în limbajul de programare C folosind librării specifice pentru rezolvarea ecuațiilor principale ale modelului. Astfel, a fost construit un cadru teoretic solid, care a fost ulterior susținut de rezultatele experimentale. Aceste instrumente ne-au permis să analizăm cu precizie comportamentul celulelor fotovoltaice în diferite condiții și să  descriem atât efectele capacitive, cât și pe cele inductive.

Totodată, colaborarea cu specialiști din diverse domenii a fost crucială pentru a integra aceste date și a prezenta o imagine completă a fenomenelor studiate.

R.: Într-un limbaj accesibil publicului larg, cum ați defini „efectul de histerezis dinamic” ce apare în cadrul celulelor hibride perovskitice?

N.F.: Efectul de  histerezis dinamic este tipic celulelor perovskitice hibride și apare atunci când se măsoară curentul generat în funcție de tensiunea aplicată (J-V). Această măsurătoare implică două etape: prima, în care tensiunea scade de la o valoare mai mare la zero, și a doua, în care crește din nou de la zero la valoarea inițială. Din cauza histerezisului dinamic, curentul măsurat la o anumită tensiune nu este același în ambele direcții (la coborâre sau urcare), ceea ce duce la o diferență între cele două părți ale măsurătorii, având un comportament similar unei bucle de Histerezis.

R.: Care sunt, în opinia dumneavoastră, cele mai importante concluzii pe care le-a evidențiat lucrarea dvs. cu privire la tema analizată?

N.F.: Pe de o parte, lucrarea noastră subliniază relația dintre efectele capacitive și inductive pe baza recombinării purtătorilor de sarcină fotogenerați. Pe de altă parte, studiul nostru face legătura între modelele anterioare de acumulare de sarcină și cele de colectare de sarcină. De asemenea, studiul nostru pune în evidenta creșterea semnificativă a efectelor inductive cu iluminarea, în mod similar cu efectele capacitive, fapt demonstrat anterior.

R.: Articolul a fost publicat în limba engleză, aveți în plan să îl publicați și în limba română, mai ales că este o temă care nu a fost tratată în literatura de specialitate autohtonă?

N.F.: Publicarea articolului în limba română este cu siguranță o opțiune pe care o avem în vedere, considerând interesul tot mai mare pentru domeniul celulelor hibride perovskitice și faptul că această temă nu a fost tratată în detaliu în literatura de specialitate din România. Considerăm că este important să facem cercetarea accesibilă unui public cât mai larg, inclusiv specialiștilor și studenților români, și să contribuim la dezvoltarea cunoștințelor științifice pe plan local. O astfel de publicare ar putea stimula colaborări noi în cercetare și, totodată, ar încuraja tinerii cercetători din România să exploreze și să aprofundeze acest domeniu emergent. Totuși, înainte de a lua o decizie concretă, trebuie să analizăm posibilitățile editoriale și de diseminare a informației într-un mod eficient.

R.: De ce este necesară analiza efectului de histerezis dinamic în cadrul celulelor hibride perovskitice?

N.F.: După cum am menționat și în articol, acest fenomen de histerezis dinamic poate introduce erori în evaluarea corectă a eficientei unei celule fotovoltaice perovskitică. Totodată, poate să fie și un indice relativ al stabilității structurale, mai ales când știm că la baza acestui efect se află fenomene fizice care influențează structura materialului perovskit (migrația ionilor) care pot reduce stabilitatea dispozitivului.

R.: În ce proiecte științifice sunteți implicați în prezent?

N.F.: Un obiectiv pe termen mediu îl reprezintă inițierea unui proiect de cercetare aplicativă, orientat către studierea și optimizarea memristorilor, cunoscuți și ca rezistențe cu memorie dinamică. Aceste dispozitive avansate au aplicații extinse în dezvoltarea calculatoarelor neuromorfice, care simulează rețele neuronale și pot oferi un progres semnificativ în inteligența artificială și machine learning. Pe lângă aplicațiile fotovoltaice, materialele perovskitice au fost indentificate drept candidați promițători pentru dispozitive de tip memristor care pot fi utilizate pentru realizarea hardware a rețelelor neurale artificiale. Această nouă direcție a căpătat contur relativ recent și este de interes major în dezvoltarea componentelor pentru inteligența artificială. De asemenea, efectele capacitive și inductive gigant pot fi exploatate pentru realizarea unor dispozitive la scară nano cu proprietăți electronice deosebite. Pe lângă acestea, împreună cu echipa suntem implicați în dezvoltarea de dispozitive pentru identificarea biomarkerilor pentru afecțiuni respiratorii și pentru eficientizarea rezolvării problemelor multi-particulă în mecanica cuantică folosind tehnici de învățare automată.