Exploiter l'énergie de la lumière du soleil peut être aussi simple que de régler les propriétés optiques et électroniques des oxydes métalliques au niveau atomique en créant un cristal artificiel ou un «sandwich» de super-réseau, explique un chercheur de l'Université de Binghamton dans une nouvelle étude publiée dans le journal Examen physique B .

"Les oxydes métalliques sont bon marché, abondante et «verte, '", a déclaré Louis Piper, professeur adjoint de physique à l'Université de Binghamton. "Et comme l'étude l'a prouvé, assez polyvalent. Avec le bon toucher, les oxydes métalliques peuvent être adaptés pour répondre à toutes sortes de besoins, ce qui est une bonne nouvelle pour les applications technologiques, spécifiquement dans la production d'énergie et les écrans plats."

Voici comment cela fonctionne :les semi-conducteurs sont une classe importante de matériaux entre les métaux et les isolants. Ils sont définis par la taille de leur bande interdite, qui représente l'énergie nécessaire pour exciter un électron de la couche occupée vers une couche inoccupée où il peut conduire l'électricité. La lumière visible couvre une plage de 1 (infrarouge) à 3 (ultraviolet) électron-volt. Pour les conducteurs transparents, une large bande interdite est requise, alors que pour la photosynthèse artificielle, une bande interdite correspondant au feu vert est nécessaire. Les oxydes métalliques fournissent un moyen d'adapter la bande interdite.

Mais alors que les oxydes métalliques sont très bons pour la conduction électronique, ce sont de très mauvais conducteurs "à trous". Les trous font référence à l'absence d'électrons, et peut conduire une charge positive. Pour maximiser leur potentiel technologique, notamment pour la photosynthèse artificielle et l'électronique invisible, des oxydes métalliques conducteurs de trous sont nécessaires.

Sachant cela, Piper a commencé à étudier les systèmes d'oxydes métalliques en couches, qui peuvent être combinés pour "doper" sélectivement (remplacer un petit nombre d'un type d'atome dans le matériau), ou 'tune' (contrôler la taille de la bande interdite). Des travaux récents ont révélé qu'un super-réseau de deux oxydes de cuivre conducteurs de trous pourrait couvrir l'ensemble du spectre solaire. L'objectif est d'améliorer les performances tout en utilisant des alternatives métalliques respectueuses de l'environnement et bon marché.

Par exemple, L'oxyde d'indium est l'un des oxydes les plus largement utilisés dans la production de revêtements pour écrans plats et cellules solaires. Il peut très bien conduire les électrons et est transparent. Mais c'est aussi rare et très cher. Les recherches actuelles de Piper visent à utiliser des couches d'oxyde d'étain beaucoup moins chères pour obtenir une conduction des électrons et des trous avec une transparence optique.

Mais selon Piper, ses recherches montrent qu'un seul gant ne convient pas à tous les usages.

"Ça va être un cas de sérieux travail de détective, " a déclaré Piper. "Nous travaillons dans un monde où la physique et la chimie se chevauchent. Et nous avons atteint la limite théorique de nos calculs et de nos processus fondamentaux. Maintenant, nous devons vérifier ces calculs et voir où il nous manque des choses. Je pense que nous trouverons ces pièces manquantes en jouant avec les oxydes métalliques."

En renforçant les « bons morceaux » des oxydes métalliques et en minimisant les points rugueux, Piper est convaincu que le développement de nouveaux types d'oxydes métalliques passionnants pouvant être adaptés à des applications spécifiques est à notre portée.

"Nous parlons de stockage de batterie, réservoirs de carburant, la technologie des écrans tactiles et tous les types de commutateurs informatiques, " a déclaré Piper. " Nous sommes au milieu d'une ruée vers l'or très importante et c'est très excitant de faire partie de cette course pour devenir riche. Mais nous devons d'abord comprendre ce que nous ne savons pas avant de pouvoir comprendre ce que nous faisons. Une chose est sûre :les oxydes métalliques détiennent la clé. Et je crois qu'à l'Université de Binghamton, nous pouvons contribuer à ces efforts en faisant de la bonne science et en adoptant une approche moralement consciente. »