Face à la popularité croissante des énergies propres, les scientifiques recherchent de nouveaux procédés pour développer une production durable de carburants. Ils ont récemment découvert un moyen de dynamiser le moteur de la production de carburants propres en modifiant légèrement les matériaux.
Des chercheurs de l' Université de Cambridge développent des semi-conducteurs abordables capables de capter la lumière et alimentant des dispositifs permettant de convertir l'eau en hydrogène propre, un carburant alimenté uniquement par la lumière du soleil.
Ces matériaux semi-conducteurs, appelés oxydes de cuivre, bien que non toxiques, abondants et peu coûteux, ont historiquement été devancés par le silicium sur le marché des semi-conducteurs en raison de leurs performances inférieures. La technique consiste à développer des cristaux d'oxyde de cuivre avec une orientation précise qui améliore le transfert des charges électriques à travers le matériau, ce qui permet un transport de charges nettement plus rapide et plus efficace.
Les photocathodes à base d'oxyde de cuivre, conçues pour capter la lumière grâce à cette approche, ont surpassé de 70 % les photocathodes à base d'oxyde précédentes et ont présenté une stabilité accrue. Récemment publiée, cette recherche démontre le potentiel des ressources abordables pour accélérer la transition vers des sources d'énergie durables . De plus, elle peut être facilement intégrée aux infrastructures énergétiques existantes.
Consultez également cette recherche menée par l'Université de Tohoku sur l'utilisation d'oxydes de sel gemme désordonnés pour les batteries rechargeables au magnésium.
Défis et opportunités dans le domaine de l'oxyde cuivreux
Malgré des résultats prometteurs, l'oxyde cuivreux, également connu sous le nom d'oxyde de cuivre (I), est considéré depuis longtemps comme une alternative économique au silicium. Cependant, des limitations intrinsèques entravent son efficacité à absorber la lumière solaire et à la convertir en charge électrique. Une part importante de cette charge est perdue, ce qui limite les performances du matériau.
Dans ce contexte, le Dr Linfeng Pan, du département de génie chimique et de biotechnologie de Cambridge, a déclaré : « Comme les autres semi-conducteurs à base d’oxyde, l’oxyde cuivreux présente des défis intrinsèques. L’un d’eux réside dans le décalage entre la profondeur d’absorption de la lumière et la distance parcourue par les charges au sein du matériau ; ainsi, la majeure partie de l’oxyde situé sous la couche supérieure constitue essentiellement un espace mort. »
Le professeur Sam Stranks , qui a dirigé la recherche, a ajouté : « Pour la plupart des matériaux de cellules solaires, ce sont les défauts de surface qui entraînent une baisse de performance. Mais avec ces matériaux à base d’oxyde, c’est l’inverse : la surface est globalement intacte, mais un problème au cœur du matériau provoque des pertes. Cela signifie que le mode de croissance des cristaux est crucial pour leurs performances. »
Pour concurrencer les matériaux photovoltaïques existants, les oxydes cuivreux doivent être optimisés pour générer et transmettre efficacement des charges électriques constituées d'un électron-trou chargé positivement lors de l'exposition à la lumière du soleil.
Orientations futures et leurs implications
- Une approche d’optimisation potentielle consiste à utiliser des films minces monocristallins Il s'agit de fines tranches de matériau à la structure cristalline hautement organisée, utilisées dans les applications électriques. Cependant, la production conventionnelle de ces films est souvent complexe et chronophage.
- Les chercheurs ont réussi produit des films d'oxyde cuivreux de haute qualité à pression ambiante et à température ambiante Grâce à des techniques de dépôt de couches minces, ils ont pu orienter les cristaux selon une orientation donnée en contrôlant soigneusement les vitesses de croissance et de flux dans la chambre de dépôt. Grâce à des techniques spectroscopiques à haute résolution temporelle, ils ont pu détecter comment l'orientation des cristaux modifiait l'efficacité du flux de charge électrique dans le matériau.
Le Dr Pan a ajouté : « Ces cristaux sont essentiellement des cubes, et nous avons constaté que lorsque les électrons se déplacent à travers le cube en suivant une diagonale, plutôt que le long d’une face ou d’une arête, ils parcourent une distance dix fois supérieure. Plus les électrons parcourent de distance, meilleures sont les performances. »
- Expériences sur une photocathode à oxyde cuivreux créée à l'aide de cette technologie a démontré une augmentation des performances de plus de 70 % par rapport à la photocathode à oxyde électrodéposé actuelle.
Le professeur Stranks a ajouté : « Cette orientation diagonale dans ces matériaux a quelque chose de magique. Nous devons poursuivre nos recherches pour bien comprendre pourquoi et l’optimiser davantage, mais jusqu’à présent, elle a permis un bond de performance considérable. »
« Outre l’amélioration des performances, nous avons constaté que l’orientation rend les films beaucoup plus stables, mais des facteurs autres que les propriétés globales peuvent entrer en jeu », a ajouté le Dr Pan.
- Les chercheurs soulignent que malgré les avancées précédentes, des efforts supplémentaires en matière de recherche et développement sont nécessaires. Néanmoins, ils souligner l'importance potentielle de cette famille de matériaux et d'autres pour contribuer à la transition en cours vers des sources d’énergie durables.
En conclusion, le professeur Stranks a souligné : « Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir, mais nous sommes sur une voie prometteuse. Ces matériaux recèlent un potentiel scientifique considérable, et il est passionnant pour moi d’établir un lien entre la physique de ces matériaux, leur croissance, leur formation et, finalement, leurs performances. »
Source : Une simple « modification » améliore le moteur de production de carburant propre
