(Phys.org) — La combinaison du graphène, un matériau merveilleux, avec d'autres matériaux époustouflants d'un atome d'épaisseur pourrait créer la prochaine génération de cellules solaires et de dispositifs optoélectroniques, les scientifiques ont révélé.

Des chercheurs de l'Université de Manchester et de l'Université nationale de Singapour ont montré comment la construction d'hétérostructures multicouches dans un empilement tridimensionnel peut produire un phénomène physique passionnant explorant de nouveaux dispositifs électroniques.

La découverte, Publié dans Science , pourrait conduire à une énergie électrique qui parcourt des bâtiments entiers générée par la lumière du soleil absorbée par ses murs exposés ; l'énergie peut être utilisée à volonté pour modifier la transparence et la réflectivité des luminaires et des fenêtres en fonction des conditions environnementales, comme la température et la luminosité.

L'isolement du graphène, par les lauréats du prix Nobel de l'Université de Manchester, le professeur Andre Geim et le professeur Kostya Novoselov en 2004, a conduit à la découverte de toute une nouvelle famille de matériaux d'un atome d'épaisseur.

Le graphène est le plus fin au monde, matériau le plus solide et le plus conducteur, et a le potentiel de révolutionner un grand nombre d'applications diverses; des smartphones et du haut débit ultrarapide à l'administration de médicaments et aux puces informatiques.

L'isolement du graphène a également conduit à la découverte d'une toute nouvelle famille de matériaux d'un atome d'épaisseur.

Collectivement, de tels cristaux 2D présentent une vaste gamme de propriétés superlatives :du conducteur à l'isolant, de l'opaque au transparent. Chaque nouvelle couche de ces piles ajoute de nouvelles fonctions passionnantes, les hétérostructures sont donc idéales pour créer de nouveaux, appareils multifonctions.

Un plus un est supérieur à deux - les combinaisons de cristaux 2D permettent aux chercheurs d'obtenir des fonctionnalités qui ne sont disponibles dans aucun des matériaux individuels.

Les chercheurs de Manchester et de Singapour ont étendu la fonctionnalité de ces hétérostructures à l'optoélectronique et à la photonique. En combinant du graphène avec des monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), les chercheurs ont pu créer des dispositifs photovoltaïques extrêmement sensibles et efficaces. De tels dispositifs pourraient potentiellement être utilisés comme photodétecteurs ultrasensibles ou cellules solaires très efficaces.

Dans ces appareils, des couches de TMDC ont été prises en sandwich entre deux couches de graphène, combinant les propriétés passionnantes des deux cristaux 2D. Les couches TMDC agissent comme des absorbeurs de lumière très efficaces et le graphène comme une couche conductrice transparente. Cela permet une intégration plus poussée de ces dispositifs photovoltaïques dans des systèmes plus complexes, hétérostructures plus multifonctionnelles.

Le professeur Novoselov a déclaré :« Nous sommes enthousiasmés par la nouvelle physique et les nouvelles opportunités qui nous sont offertes par les hétérostructures basées sur des cristaux atomiques 2D. La bibliothèque de cristaux 2D disponibles est déjà assez riche, couvrant un grand espace de paramètres.

"De telles hétérostructures photoactives ajoutent encore de nouvelles possibilités, et ouvrir la voie à de nouveaux types d'expériences. Alors que nous créons des hétérostructures de plus en plus complexes, ainsi les fonctionnalités des appareils vont s'enrichir, entrer dans le domaine des appareils multifonctions."

Le chercheur et auteur principal de l'Université de Manchester, le Dr Liam Britnell, a ajouté :« La rapidité avec laquelle nous sommes passés de l'idée de telles hétérostructures photosensibles à l'appareil fonctionnel a été impressionnante. Cela a fonctionné pratiquement dès le début et même les structures les moins optimisées ont montré des caractéristiques très respectables.

Professeur Antonio Castro Neto, Le directeur du Graphene Research Center de l'Université nationale de Singapour a ajouté :« Nous avons pu identifier la combinaison idéale de matériaux :TMDC très photosensible et graphène optiquement transparent et conducteur, qui créent collectivement un dispositif photovoltaïque très efficace.

« Nous sommes sûrs qu'au fur et à mesure que nous recherchons davantage dans le domaine des cristaux atomiques 2D, nous serons en mesure d'identifier davantage de ces matériaux complémentaires et de créer des hétérostructures plus complexes avec de multiples fonctionnalités. C'est vraiment un champ ouvert et nous allons l'explorer. »

Dr Cinzia Casiraghi, de l'Université de Manchester, a ajouté :« Les hétérostructures photosensibles ouvriraient la voie à d'autres hétérostructures avec de nouvelles fonctionnalités. à l'avenir, nous prévoyons une hétérostructure moins chère et plus efficace pour les applications photovoltaïques."