Des chercheurs de Cambridge ont amélioré les semi-conducteurs à base d'oxyde de cuivre, obtenant une amélioration de 70 % en orientant la croissance des cristaux pour accélérer le mouvement des charges, ce qui promet des avancées dans les technologies de carburants durables.
Les scientifiques ont découvert une méthode pour suralimenter le « moteur » de production de carburant durable – en donnant une petite touche aux matériaux.
Les chercheurs, dirigés par l'Université de Cambridge, développent des capteurs de lumière à faible coût. semi-conducteurs qui alimente des dispositifs permettant de convertir l’eau en hydrogène propre, en utilisant uniquement l’énergie du soleil. Ces matériaux semi-conducteurs, appelés oxydes de cuivre, sont bon marché, abondants et non toxiques, mais leurs performances sont loin d'être comparables à celles du silicium, qui domine le marché des semi-conducteurs.
Cependant, les chercheurs ont découvert qu'en faisant croître les cristaux d'oxyde de cuivre dans une orientation spécifique de sorte que les charges électriques se déplacent à travers les cristaux en diagonale, les charges se déplacent beaucoup plus rapidement et plus loin, améliorant ainsi considérablement les performances. Les tests d'un collecteur de lumière à l'oxyde de cuivre, ou photocathode, basés sur cette technique de fabrication ont montré une amélioration de 70 % par rapport aux photocathodes à oxyde de pointe existantes, tout en montrant également une stabilité considérablement améliorée.
Les chercheurs déclarent que leurs résultats, rapportés dans la revue Naturemontrent comment des matériaux à faible coût pourraient être affinés pour alimenter la transition des combustibles fossiles vers des carburants propres et durables qui peuvent être stockés et utilisés avec les infrastructures énergétiques existantes.
Défis et potentiel de l’oxyde cuivreux
L'oxyde de cuivre (I), ou oxyde cuivreux, est présenté depuis des années comme un substitut potentiel bon marché au silicium, car il est raisonnablement efficace pour capter la lumière du soleil et la convertir en charge électrique. Cependant, une grande partie de cette charge a tendance à se perdre, ce qui limite les performances du matériau.
« Comme les autres semi-conducteurs à oxyde, l'oxyde cuivreux présente des défis intrinsèques », a déclaré le co-premier auteur, le Dr Linfeng Pan, du département de génie chimique et de biotechnologie de Cambridge. « L'un de ces défis est l'inadéquation entre la profondeur d'absorption de la lumière et la distance parcourue par les charges dans le matériau, de sorte que la majeure partie de l'oxyde située sous la couche supérieure du matériau est essentiellement un espace mort. »
« Pour la plupart des matériaux de cellules solaires, ce sont les défauts à la surface du matériau qui entraînent une réduction des performances, mais avec ces matériaux oxydés, c'est l'inverse : la surface est en grande partie fine, mais quelque chose dans l'encombrement entraîne des pertes. » a déclaré le professeur Sam Stranks, qui a dirigé la recherche. « Cela signifie que la façon dont les cristaux sont cultivés est essentielle à leur performance. »
Pour développer les oxydes cuivreux au point où ils peuvent être un concurrent crédible aux matériaux photovoltaïques établis, ils doivent être optimisés afin qu'ils puissent générer et déplacer efficacement des charges électriques – constituées d'un électron et d'un « trou » électronique chargé positivement – lorsque la lumière du soleil les frappe.
Impact et orientations futures
Une approche d’optimisation potentielle consiste à utiliser des films minces monocristallins – des tranches très fines de matériau présentant une structure cristalline hautement ordonnée, qui sont souvent utilisées en électronique. Cependant, la réalisation de ces films est normalement un processus complexe et long.
Grâce à des techniques de dépôt de couches minces, les chercheurs ont pu faire croître des films d’oxyde cuivreux de haute qualité à pression et température ambiantes. En contrôlant précisément la croissance et les débits dans la chambre, ils ont pu « déplacer » les cristaux dans une orientation particulière. Ensuite, en utilisant des techniques spectroscopiques à haute résolution temporelle, ils ont pu observer comment l’orientation des cristaux affectait l’efficacité avec laquelle les charges électriques se déplaçaient à travers le matériau.
« Ces cristaux sont essentiellement des cubes, et nous avons constaté que lorsque les électrons se déplacent à travers le cube selon une diagonale du corps, plutôt que le long de la face ou du bord du cube, ils se déplacent d'un ordre de grandeur plus loin », a déclaré Pan. « Plus les électrons se déplacent loin, meilleures sont les performances. »
« Il y a quelque chose de magique dans cette direction diagonale dans ces matériaux », a déclaré Stranks. « Nous devons effectuer des travaux supplémentaires pour bien comprendre pourquoi et l'optimiser davantage, mais cela a jusqu'à présent abouti à une énorme augmentation des performances. » Les tests d'une photocathode à oxyde cuivreux réalisée à l'aide de cette technique ont montré une augmentation des performances de plus de 70 % par rapport aux photocathodes à oxyde électrodéposées de pointe existantes.
« En plus des performances améliorées, nous avons constaté que l'orientation rend les films beaucoup plus stables, mais des facteurs autres que les propriétés de volume peuvent être en jeu », a déclaré Pan.
Les chercheurs affirment qu’il reste encore beaucoup à faire en matière de recherche et de développement, mais que ces matériaux et les familles de matériaux associées pourraient jouer un rôle essentiel dans la transition énergétique.
« Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir, mais nous sommes sur une trajectoire passionnante », a déclaré Stranks. « De nombreuses découvertes scientifiques intéressantes découlent de ces matériaux, et il est intéressant pour moi de relier la physique de ces matériaux à leur croissance, à la manière dont ils se forment et, en fin de compte, à leurs performances. »
La recherche était une collaboration avec l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, l'Université de Nankai et l'Université d'Uppsala. La recherche a été financée en partie par le Conseil européen de la recherche, le Fonds national suisse et le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), qui fait partie du UK Research and Innovation (UKRI). Sam Stranks est professeur d'optoélectronique au Département de génie chimique et de biotechnologie et membre du Clare College de Cambridge.
