Le graphène pourrait-il transformer la lumière en électricité ? Les scientifiques ont montré que le graphène peut convertir un seul photon en plusieurs électrons, très prometteur pour les futurs appareils photovoltaïques.

Le graphène est un matériau qui a gagné en popularité ces dernières années, en raison de sa résistance extraordinaire et de son poids léger. Il peut être généré en le décollant littéralement du graphite, ou en le cultivant sur divers matériaux, ce qui rend sa production rentable. Des études ont laissé entendre que le graphène peut également être utilisé comme matériau photovoltaïque, transformer la lumière en électricité. Grâce à une méthode spectroscopique de pointe, des scientifiques de l'EPFL et des collaborateurs ont démontré qu'en absorbant un seul photon, Le graphène peut générer plusieurs électrons qui ont suffisamment d'énergie pour conduire un courant électrique. L'ouvrage est publié dans Lettres nano .

Le graphène est fascinant en termes de physique fondamentale, car il conduit mieux l'électricité à température ambiante que par ex. le cuivre, ce qui le rend idéal pour les circuits ultra-rapides. En outre, il a été démontré que le graphène conduit l'électricité après avoir absorbé la lumière, ce qui signifie qu'il pourrait également être utilisé dans des dispositifs photovoltaïques. Mais jusqu'à maintenant, Le potentiel du graphène pour une conversion efficace de la lumière en électricité n'était pas bien compris.

C'est une tâche difficile car cette conversion a lieu sur une échelle femto-seconde (10-15 sec; un quadrillionième de seconde), trop rapide pour que les techniques conventionnelles détectent le mouvement des électrons. Pour surmonter cet obstacle, Jens Christian Johannsen du laboratoire de Marco Grioni à l'EPFL, avec des collègues de l'Université d'Aarhus et d'ELETTRA en Italie, a utilisé une technique sophistiquée appelée « spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle ultrarapide » (trARPES). Les expériences ont été menées au laboratoire de renommée mondiale Rutherford Appleton à Oxford.

Avec cette méthode, un petit échantillon de graphène est placé dans une chambre à ultra-vide. Le graphène est ensuite frappé par une impulsion de « pompe » ultrarapide de lumière laser. Cela excite les électrons dans le graphène, les "élevant" à des états d'énergie plus élevés où ils peuvent réellement conduire un courant électrique. Pendant que les électrons sont dans ces états, l'échantillon de graphène est frappé avec un retard, impulsion « sonde » qui prend littéralement un instantané de l'énergie de chaque électron à ce moment-là. La séquence est répétée rapidement pour différents moments, comme un film en stop motion, et capture la dynamique des électrons dans une séquence d'action en direct.

Un photon, beaucoup d'électrons

Les scientifiques ont utilisé des échantillons "dopés" de graphène, ce qui signifie qu'ils y ont ajouté ou soustrait des électrons par des moyens chimiques. L'expérience a révélé que, lorsque le graphène dopé absorbe un seul photon, cela peut exciter plusieurs électrons et le faire proportionnellement au degré de dopage. Le photon excite un électron, qui ensuite « retombe » rapidement à son état d'énergie fondamental. Comme il le fait, la "chute" excite en moyenne deux électrons supplémentaires par effet d'entraînement. "Cela indique qu'un dispositif photovoltaïque utilisant du graphène dopé pourrait montrer une efficacité significative dans la conversion de la lumière en électricité", dit Marco Grioni.

Les scientifiques ont fait la toute première observation directe de l'effet de multiplication photon-électron du graphène, ce qui fait du matériau un bloc de construction très prometteur pour tout appareil qui repose sur la conversion de la lumière en électricité. Par exemple, de nouveaux dispositifs photovoltaïques utilisant du graphène pourraient capter l'énergie lumineuse sur l'ensemble du spectre solaire avec une perte d'énergie inférieure à celle des systèmes actuels.

Forts de leur technologie de pointe et de leur succès expérimental, les scientifiques prévoient maintenant d'explorer des effets similaires dans d'autres matériaux bidimensionnels, comme le bisulfure de molybdène (MoS 2 ), un matériau déjà à l'honneur pour ses remarquables propriétés électroniques et catalytiques.