Rempli de polymères organiques appropriés, le nanofilm de germanium hautement poreux devient une cellule solaire hybride. Parce que la nanostructure de germanium forme une structure opale inverse, le matériau scintille comme l'opale. Crédit :Andreas Battenberg / TUM
Grâce à une nouvelle procédure, les chercheurs de l'Université technique de Munich (TUM) et de l'Université Ludwig Maximillians de Munich (LMU) peuvent désormais produire des produits extrêmement fins et robustes, couches semi-conductrices pourtant très poreuses. Un matériau très prometteur - pour les petits, poids léger, cellules solaires flexibles, par exemple, ou des électrodes améliorant les performances des batteries rechargeables.
Le revêtement sur la plaquette que le professeur Thomas Fässler, chaire de chimie inorganique avec un accent sur les nouveaux matériaux à la TU Munich, tient dans ses mains scintille comme une opale. Et il a des propriétés étonnantes :il est dur comme un cristal, exceptionnellement mince et - comme il est très poreux - léger comme une plume.
En intégrant des polymères organiques appropriés dans les pores du matériau, les scientifiques peuvent personnaliser les propriétés électriques du matériau hybride qui en résulte. La conception permet non seulement d'économiser de l'espace, il crée également de grandes surfaces d'interface qui améliorent l'efficacité globale.
"Vous pouvez imaginer notre matière première comme un échafaudage poreux avec une structure proche d'un nid d'abeille. Les murs sont constitués de matériaux inorganiques, germanium semi-conducteur, qui peut produire et stocker des charges électriques. Étant donné que les parois en nid d'abeilles sont extrêmement minces, les charges peuvent circuler le long de chemins courts, " explique Fässler.
Le nouveau design :ascendant au lieu de descendant
Mais, se transformer en cassant, germanium dur en une couche souple et poreuse, les chercheurs ont dû appliquer quelques astuces. Traditionnellement, des procédés de gravure sont utilisés pour structurer la surface du germanium. Cependant, cette approche descendante est difficile à contrôler au niveau atomique. La nouvelle procédure résout ce problème.
Avec son équipe, Fässler a établi une méthodologie de synthèse pour fabriquer les structures souhaitées de manière très précise et reproductible. La matière première est le germanium avec des atomes disposés en grappes de neuf. Étant donné que ces grappes sont chargées électriquement, ils se repoussent tant qu'ils sont dissous. La compensation n'a lieu que lorsque le solvant est évaporé.
Une image au microscope électronique de la structure en germanium après retrait des modèles de polymère. Le matériau forme une structure opale inverse, qui peuvent être remplis de polymères appropriés pour créer des cellules solaires hybrides. Crédit :Katia Rodewald / TUM
Ceci peut être facilement réalisé en appliquant une chaleur de 500 °C ou cela peut être induit chimiquement, en ajoutant du chlorure de germanium, par exemple. En utilisant d'autres chlorures comme le chlorure de phosphore, les structures de germanium peuvent être facilement dopées. Cela permet aux chercheurs d'ajuster directement les propriétés des nanomatériaux résultants de manière très ciblée.
De minuscules billes synthétiques sous forme de nanomodèles
Pour donner aux clusters de germanium la structure poreuse souhaitée, le chercheur LMU Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing a développé une méthodologie pour permettre la nanostructuration :de minuscules billes de polymère forment des modèles tridimensionnels dans une première étape.
A l'étape suivante, la solution de germanium-cluster remplit les espaces entre les billes. Dès que des réseaux stables de germanium se sont formés à la surface des minuscules billes, les gabarits sont retirés en appliquant de la chaleur. Ce qui reste est le nanofilm très poreux.
Les billes de polymère déployées ont un diamètre de 50 à 200 nanomètres et forment une structure opale. L'échafaudage en germanium qui émerge à la surface agit comme un moule négatif - une structure opale inverse est formée. Ainsi, les nanocouches scintillent comme une opale.
"Le germanium poreux à lui seul possède des propriétés optiques et électriques uniques dont de nombreuses applications énergétiques pertinentes peuvent bénéficier, " déclare la chercheuse LMU, le Dr Dina Fattakhova-Rohlfing, qui, en collaboration avec Fässler, développé le matériel. "Au-delà de ça, nous pouvons remplir les pores avec une grande variété de matériaux fonctionnels, créant ainsi une large gamme de nouveaux matériaux hybrides."
Les nanocouches ouvrent la voie aux solutions photovoltaïques portables
"Lorsqu'il est combiné avec des polymères, les structures poreuses en germanium sont adaptées au développement d'une nouvelle génération de cellules solaires extrêmement légères et flexibles pouvant recharger les téléphones portables, appareils photo et ordinateurs portables sur la route, " explique le physicien Peter Müller-Buschbaum, professeur de matériaux fonctionnels à la TU Munich.
Les fabricants du monde entier sont à la recherche de matériaux légers et robustes à utiliser dans les cellules solaires portables. À ce jour, ils ont utilisé principalement des composés organiques, qui sont sensibles et ont des durées de vie relativement courtes. La chaleur et la lumière décomposent les polymères et dégradent les performances. Ici, les couches hybrides de germanium fines mais robustes offrent une véritable alternative.
Nanocouches pour les nouveaux systèmes de batteries
Prochain, les chercheurs souhaitent utiliser la nouvelle technologie pour fabriquer des couches de silicium hautement poreuses. Les couches sont actuellement testées comme anodes pour batteries rechargeables. Ils pourraient éventuellement remplacer les couches de graphite actuellement utilisées dans les batteries pour améliorer leur capacité.
