Une recherche menée par l’UC Irvine révèle que les propriétés optiques des matériaux peuvent être considérablement améliorées, non pas en modifiant les matériaux eux-mêmes, mais en conférant à la lumière de nouvelles propriétés.
Les chercheurs ont démontré qu’en manipulant l’impulsion des photons entrants, ils pouvaient modifier fondamentalement la façon dont la lumière interagit avec la matière. Un exemple frappant de leurs découvertes est que les propriétés optiques du silicium pur, un semi-conducteur essentiel et largement utilisé, peuvent être améliorées de quatre ordres de grandeur.
Cette avancée est très prometteuse pour transformer la conversion de l’énergie solaire et l’optoélectronique en général. étudeprésenté comme l’article de couverture du numéro de septembre de ACS Nanoa été menée en collaboration avec l’Université fédérale de Kazan et l’Université de Tel Aviv.
« Dans cette étude, nous remettons en question la croyance traditionnelle selon laquelle les interactions lumière-matière sont uniquement déterminées par le matériau », a déclaré Dmitry Fishman, auteur principal et professeur adjoint de chimie. « En conférant à la lumière de nouvelles propriétés, nous pouvons fondamentalement remodeler la façon dont elle interagit avec la matière. »
« En conséquence, des matériaux existants ou optiquement « sous-estimés » peuvent atteindre des capacités que nous n’aurions jamais cru possibles. C’est comme agiter une baguette magique : plutôt que de concevoir de nouveaux matériaux, nous améliorons les propriétés des matériaux existants simplement en modifiant la lumière entrante. »
« Ce phénomène photonique découle directement du principe d’incertitude de Heisenberg », explique Eric Potma, co-auteur et professeur de chimie. « Lorsque la lumière est confinée à des échelles inférieures à quelques nanomètres, sa distribution d’impulsion s’élargit. L’augmentation de l’impulsion est si importante qu’elle dépasse d’un facteur mille celle des photons en espace libre, ce qui la rend comparable à l’impulsion des électrons dans les matériaux. »
Ara Apkarian, professeur de chimie renommé, a expliqué : « Ce phénomène change fondamentalement la façon dont la lumière interagit avec la matière. Traditionnellement, les manuels nous enseignent les transitions optiques verticales, où un matériau absorbe la lumière et le photon ne change que l’état énergétique de l’électron. »
« Cependant, les photons à impulsion améliorée peuvent modifier à la fois l’état d’énergie et l’état d’impulsion des électrons, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles voies de transition que nous n’avions pas envisagées auparavant. Au sens figuré, nous pouvons « renverser la situation » car ces photons permettent des transitions diagonales. Cela a un impact considérable sur la capacité d’un matériau à absorber ou à émettre de la lumière. »
Fishman poursuit : « Prenons l’exemple du silicium, le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre et l’épine dorsale de l’électronique moderne. Malgré son utilisation généralisée, le silicium absorbe mal la lumière, ce qui a longtemps limité son efficacité dans des dispositifs comme les panneaux solaires.
« C’est parce que le silicium est un semi-conducteur indirect, ce qui signifie qu’il s’appuie sur les phonons (les vibrations du réseau) pour permettre les transitions électroniques. La physique de l’absorption de la lumière dans le silicium est telle que tandis qu’un photon modifie l’état énergétique de l’électron, un phonon est simultanément nécessaire pour modifier l’état d’impulsion de l’électron.
« Étant donné que la probabilité qu’un photon, un phonon et un électron interagissent au même endroit et au même moment est faible, les propriétés optiques du silicium sont intrinsèquement faibles. Cela a posé un défi important à l’optoélectronique et a même ralenti les progrès de la technologie de l’énergie solaire. »
Potma a souligné : « Avec les effets croissants du changement climatique, il est plus urgent que jamais de passer des combustibles fossiles aux énergies renouvelables. L’énergie solaire est essentielle à cette transition, mais les cellules solaires commerciales sur lesquelles nous comptons ne sont pas à la hauteur. »
« La faible capacité du silicium à absorber la lumière signifie que ces cellules nécessitent des couches épaisses (près de 200 micromètres de matériau cristallin pur) pour capturer efficacement la lumière du soleil. Cela augmente non seulement les coûts de production, mais limite également l’efficacité en raison de la recombinaison accrue des porteurs.
« Les cellules solaires à couches minces sont largement considérées comme la solution à ces deux défis. Bien que des matériaux alternatifs comme les semi-conducteurs à bande interdite directe aient démontré des cellules solaires minces avec des rendements supérieurs à 20 %, ces matériaux sont souvent sujets à une dégradation rapide ou s’accompagnent de coûts de production élevés, ce qui les rend impraticables pour le moment. »
« Guidés par les promesses des cellules photovoltaïques à couches minces à base de silicium, les chercheurs cherchent depuis plus de quatre décennies des moyens d’améliorer l’absorption de la lumière dans le silicium », a ajouté M. Apkarian. « Mais une véritable avancée reste difficile à réaliser. »
Fishman a ajouté : « Notre approche représente une avancée radicalement différente. En permettant des transitions diagonales grâce à des photons à impulsion améliorée, nous transformons efficacement le silicium pur d’un semi-conducteur à bande interdite indirecte en un semi-conducteur à bande interdite directe, sans altérer le matériau lui-même. Cela conduit à une augmentation spectaculaire de la capacité du silicium à absorber la lumière, de plusieurs ordres de grandeur.
« Cela signifie que nous pouvons réduire l’épaisseur des couches de silicium du même facteur, ouvrant la voie à des dispositifs ultra-minces et à des cellules solaires qui pourraient surpasser les technologies actuelles à une fraction du coût. De plus, comme le phénomène ne nécessite aucune modification du matériau, l’approche peut être intégrée aux technologies de fabrication existantes avec peu ou pas de modifications. »
Apkarian conclut : « Nous commençons tout juste à explorer la vaste gamme de phénomènes associés au confinement de la lumière à l’échelle nanométrique et au-delà. La physique impliquée est riche en potentiel de découvertes fondamentales et appliquées. Cependant, l’impact immédiat est déjà clair. »
« La transformation du silicium en un semi-conducteur à bande interdite directe grâce à une impulsion photonique améliorée a le potentiel de révolutionner la conversion d’énergie et l’optoélectronique. »
Les co-auteurs de cette étude comprenaient Jovany Merham, spécialiste junior en chimie de l’UC Irvine, les chercheurs de l’Université fédérale de Kazan Sergey Kharintsev, Aleksey Noskov, Elina Battalova et les chercheurs de l’Université de Tel Aviv Liat Katrivas et Alexander Kotlyar.
Plus d’informations :
Sergey S. Kharintsev et al., Absorption de lumière activée par l’impulsion des photons dans le silicium, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c02656