Les semi-conducteurs sont utilisés pour une myriade de dispositifs optoélectroniques. Cependant, à mesure que les appareils deviennent de plus en plus petits et plus exigeants, de nouveaux matériaux sont nécessaires pour garantir que les appareils fonctionnent avec une plus grande efficacité. Maintenant, des chercheurs de l'USC Viterbi School of Engineering ont lancé une nouvelle classe de matériaux semi-conducteurs qui pourraient améliorer la fonctionnalité des dispositifs optoélectroniques et des panneaux solaires, peut-être même en utilisant cent fois moins de matériau que le silicium couramment utilisé.
Chercheurs de l'USC Viterbi, dirigé par Jayakanth Ravichandran, professeur adjoint au département de génie chimique et des sciences des matériaux de la famille Mork, dont Shanyuan Niu, Huaixun Huyan, Yang Liu, Matthieu Yeung, Kevin Ye, Louis Blankemeier, Thomas Orvis, Debarghya Sarkar, Professeur assistant de génie électrique Rehan Kapadia, et David J. Singh, un professeur de physique de l'Université du Missouri, ont développé une nouvelle classe de matériaux aux performances supérieures et à la toxicité réduite. Leur processus, documenté dans "Bandgap Control via Structural and Chemical Tuning of Transition Metal Perovskite Chalcogenide, " est publié dans Matériaux avancés .
Ravichandran, le chef de file de cette recherche, est un scientifique des matériaux, qui s'est toujours intéressé à comprendre le flux d'électrons et de chaleur à travers les matériaux, ainsi que la façon dont les électrons interagissent dans les matériaux. Cette connaissance approfondie de la façon dont la composition des matériaux affecte le mouvement des électrons était essentielle à l'innovation la plus récente de Ravichandran et de ses collègues.
Les ordinateurs et l'électronique s'améliorent, mais selon Jayakanth Ravichandran, l'investigateur principal de cette étude, « les performances de l'appareil le plus basique, les transistors, ne s'améliorent pas. » Il y a un plateau en termes de performances, comme indiqué par ce qui est considéré comme la « fin de la loi de Moore ». Semblable à l'électronique, il y a beaucoup d'intérêt à développer des semi-conducteurs à hautes performances pour l'optoélectronique. L'équipe collaborative de scientifiques des matériaux et d'ingénieurs électriciens souhaitait développer de nouveaux matériaux qui pourraient présenter les propriétés optiques et électriques idéales pour une variété d'applications telles que les écrans, détecteurs et émetteurs de lumière, ainsi que des cellules solaires.
Les chercheurs ont développé une classe de semi-conducteurs appelés « chalcogénures de pérovskite de métal de transition ». Actuellement, les semi-conducteurs les plus utiles ne contiennent pas suffisamment de porteurs pour un volume donné de matériau (une propriété appelée "densité d'états") mais ils transportent les électrons rapidement et sont donc connus pour avoir une grande mobilité. Le vrai défi pour les scientifiques a été d'augmenter cette densité d'états dans les matériaux, tout en conservant une grande mobilité. Le matériau proposé devrait posséder ces propriétés contradictoires.
Dans un premier temps pour montrer ses applications potentielles, les chercheurs ont étudié sa capacité à absorber et à émettre de la lumière. "Il y a un dicton, " dit Ravichandran du dialogue entre ceux dans les domaines de l'optique et de la photonique, "qu'une très bonne LED est aussi une très bonne cellule solaire." Étant donné que les matériaux développés par Ravichandran et ses collègues absorbent et émettent efficacement la lumière, les cellules solaires sont une application possible.
Les cellules solaires absorbent la lumière et la convertissent en électricité. Cependant, les panneaux solaires sont en silicium, qui provient du sable via un procédé d'extraction très énergivore. Si les cellules solaires pouvaient être faites d'un nouveau, matériau semi-conducteur alternatif tel que celui créé par les chercheurs de l'USC Viterbi - un matériau qui pourrait contenir plus d'électrons pour un volume donné (et réduisant l'épaisseur des panneaux), les cellules solaires pourraient être plus efficaces, utilisant peut-être cent fois moins de matériau pour générer la même quantité d'énergie. Ce nouveau matériau, s'il est appliqué dans l'industrie de l'énergie solaire, pourrait rendre l'énergie solaire moins chère.
Bien que la route soit longue pour commercialiser une telle classe de matériaux, la prochaine étape consiste à recréer ce matériau sous forme de film ultra-mince pour fabriquer des cellules solaires et tester leurs performances. « La contribution essentielle de ce travail, " dit Ravichandran, "est notre nouvelle méthode de synthèse, ce qui est une amélioration drastique par rapport aux études précédentes. Aussi, notre démonstration d'une large accordabilité des propriétés optiques (en particulier la bande interdite) est prometteuse pour le développement de nouveaux dispositifs optoélectroniques avec des propriétés optiques accordables."
