Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory, Collège universitaire de Londres, et la Florida International University ont déterminé comment un matériau d'oxyde particulier, oxyde de lanthane chrome (LCO), interagit avec la lumière visible et ultraviolette.
L'absorption de la lumière par certains types de matériaux entraîne la conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique, un processus d'une grande importance dans la technologie de l'énergie. Le soleil est abondant en lumière visible qui semble verte à l'œil, et être capable de convertir la lumière du soleil en électricité conduit à un libre, source d'énergie propre qui ne laisse aucune empreinte carbone. De telles sources d'énergie sont essentielles à un sécurise, et un avenir énergétique respectueux de l'environnement, quelque chose qui devrait intéresser tous les Américains.
Seuls certains types de matériaux peuvent absorber la lumière et la convertir en électricité. Ces matériaux sont appelés semi-conducteurs. "Semi" est un préfixe latin signifiant "moitié". Donc, un semi-conducteur peut être considéré comme un conducteur d'électricité à moitié ou partiel, par rapport aux métaux, qui sont d'excellents conducteurs d'électricité. La raison pour laquelle un semi-conducteur n'est qu'un conducteur partiel d'électricité est que ses bandes d'énergie, ou orbitales, où résident les électrons, sont séparés en deux sortes. L'une est appelée la bande de valence (VB). Les électrons dans le VB ne sont pas mobiles et, donc, ne peut pas conduire l'électricité. L'autre s'appelle la bande de conduction (CB), et les électrons dans le CB sont mobiles. Dans les semi-conducteurs, la concentration d'électrons dans le CB est faible par rapport à celle dans les métaux, entraînant une conduction partielle. Le VB et le CB sont séparés par une quantité fixe d'énergie, appelé bande interdite. Si un semi-conducteur est irradié avec une lumière dont l'énergie est supérieure à la bande interdite, les électrons peuvent absorber la lumière et être levés du VB au CB, résultant en une conductivité électrique induite par la lumière. Trouver des moyens de modifier les propriétés des semi-conducteurs afin qu'ils absorbent la lumière dans des gammes d'énergie particulières est très important dans le photovoltaïque, la science de la conversion d'énergie lumière-électricité.
Les matériaux d'intérêt actuel pour le photovoltaïque comportent souvent des atomes toxiques ou rares. Il s'agit notamment du gallium, arsenic, cadmium et tellure. De plus, les surfaces de ces matériaux photovoltaïques réagissent avec l'oxygène de l'atmosphère et forment des oxydes, ce qui modifie leurs propriétés de manière à les rendre moins utiles pour les technologies photovoltaïques. Une classe idéale de matériaux pour les futures applications photovoltaïques est les oxydes métalliques, en particulier des oxydes métalliques complexes. Ces matériaux peuvent être fabriqués à partir d'abondants, atomes bon marché, et sont stables dans l'air car ce sont déjà des oxydes. Cependant, les propriétés optiques de la plupart des oxydes complexes sont elles-mêmes assez complexes, et très mal compris. Acquérir une compréhension détaillée d'un tel oxyde, LCO, est l'objet de cette étude.
L'approche de l'équipe était de fabriquer du LCO ultra-pur en déposant des faisceaux séparés de lanthane, chrome, et des atomes d'oxygène sur un substrat solide, à l'aide d'un procédé appelé épitaxie par faisceau moléculaire. Ils ont ensuite éclairé le film LCO et varié l'énergie de la lumière, couvrant les parties visible et proche ultraviolet du spectre électromagnétique. Ils ont déterminé les énergies auxquelles la lumière était absorbée par le LCO. Le spectre d'absorption de la lumière est assez complexe, et il n'est pas possible de comprendre l'origine des différents pics d'absorption sans l'aide de calculs théoriques. À cette fin, l'équipe a effectué un ensemble détaillé de calculs théoriques dans lesquels ils ont simulé le processus d'absorption de la lumière en LCO pour différentes énergies lumineuses. Cela leur a permis de déterminer en détail quelles parties du CB et du VB dans LCO étaient impliquées dans des événements d'absorption spécifiques. Ce qu'ils ont appris était assez surprenant. Des recherches expérimentales antérieures ont conduit à la conclusion que le début de la conductivité électrique se produit pour une énergie lumineuse d'environ 3,3 électrons-volts. L'enquête expérimentale et théorique combinée de l'équipe a montré que l'apparition de la conductivité électrique se produit en fait pour une énergie lumineuse beaucoup plus élevée, ~4,8 électrons-volts. Les caractéristiques d'absorption à des énergies plus basses (telles que 3,3 électrons-volts) sont en fait dues à des excitations localisées qui n'entraînent pas la conduction de l'électricité à travers le LCO, et ont été mal interprétés dans des études antérieures.
Cette enquête fait partie d'une étude plus large visant à déplacer la bande interdite du LCO vers des valeurs inférieures, où le soleil est plus abondant en plein soleil. La stratégie de l'équipe est de remplacer certains des atomes de lanthane du LCO par des atomes de strontium. Dans la limite du remplacement à 100 % du lanthane par du strontium, on obtient de l'oxyde de strontium chrome, qui est un métal. Les résultats préliminaires indiquent qu'à mesure que le pourcentage de lanthane remplacé par du strontium augmente, la bande interdite diminue en effet dans la plage souhaitée. Ce résultat, s'il s'avère reproductible, signifie que l'oxyde de strontium lanthane et de chrome est un candidat attrayant pour un semi-conducteur d'oxyde à bande interdite accordable qui serait utile pour le photovoltaïque, ou technologie de "récolte de lumière".
