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Overcoming symmetry limits in photovoltaics through surface engineering

Surmonter les limites de symétrie dans le domaine photovoltaïque grâce à l'ingénierie des surfaces (Crédit : CIC nanoGUNE)

Surmonter les limites de symétrie en photovoltaïque par l’ingénierie de surface

par La rédaction
21 janvier 2026
en Renouvelable, Solaire

Une étude récente publiée dans Physical Review Letters et menée par des chercheurs du EHU, du Materials Physics Center, de nanoGUNE et du DIPC présente une approche révolutionnaire pour la conversion de l’énergie solaire et la spintronique. Ce travail s’attaque à une limitation de longue date de l’effet photovoltaïque de volume — la nécessité de cristaux non centrosymétriques — en démontrant que même des matériaux parfaitement symétriques peuvent générer des photocurrents significatives grâce aux états électroniques de surface conçus. Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour concevoir des systèmes de conversion lumière-électricité efficaces et des dispositifs spintroniques ultrarapides.

Les cellules solaires conventionnelles reposent sur des interfaces soigneusement conçues, telles que les jonctions p–n, pour transformer la lumière en électricité. Un mécanisme plus exotique — l’effet photovoltaïque de volume — peut générer un courant électrique directement dans un matériau sans de telles jonctions, mais seulement si sa structure cristalline manque de symétrie d’inversion. Cette exigence stricte a longtemps restreint la recherche de matériaux pratiques. Dans cette nouvelle étude, un groupe de chercheurs démontre que cette limitation peut être surmontée : même des matériaux parfaitement symétriques peuvent produire des photocurrents considérables grâce aux états électroniques spéciaux qui se forment naturellement à leurs surfaces.

En utilisant des calculs de premiers principes, nous montrons que les surfaces des métaux et semi-conducteurs avec une forte interaction spin-orbite relativiste peuvent héberger des états électroniques qui se comportent très différemment de ceux de la masse. Ces états de surface brisent localement la symétrie d’inversion et répondent non linéairement à la lumière, donnant lieu à des courants de charge robustes et, remarquablement, à des courants de spin purs polarisés circulant le long de la surface. Après avoir étalonné le mécanisme sur la surface bien connue Au(111), nous avons identifié Tl/Si(111) comme une plateforme matérielle idéale, prédisant des photocurrents comparables à celles des ferroélectriques de pointe ainsi que des signatures expérimentales claires pour la détection.

Les résultats révèlent une nouvelle stratégie pour la conversion lumière-électricité : au lieu de rechercher des cristaux non centrosymétriques complexes, les scientifiques peuvent « ingénier » des photocurrents en ajustant la structure électronique de surface de matériaux autrement symétriques. Au-delà de la récolte d’énergie, la capacité à générer et contrôler des courants de spin avec la lumière — sans aimants ni tensions appliquées — ouvre des opportunités prometteuses pour les dispositifs spintroniques ultrarapides et à faible consommation.

Journal : Physical Review Letters – DOI : Lien vers l’étude

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Source : Elhuyar Fundazioa

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Tags: photovoltaïquespintroniquesurfacesymetrie
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A recent study published in Physical Review Letters and carried out by researchers from EHU, the Materials Physics Center, nanoGUNE, and DIPC introduces a groundbreaking approach to solar energy conversion and spintronics. The work tackles a long-standing limitation in the bulk photovoltaic effect—the need for non-centrosymmetric crystals—by demonstrating that even perfectly symmetric materials can generate significant photocurrents through engineered surface electronic states. This discovery opens new pathways for designing efficient light-to-electricity conversion systems and ultrafast spintronic devices.

Conventional solar cells rely on carefully engineered interfaces, such as p–n junctions, to turn light into electricity. A more exotic mechanism—the bulk photovoltaic effect—can generate electrical current directly in a material without such junctions, but only if its crystal structure lacks inversion symmetry. This strict requirement has long restricted the search for practical materials. In this new study, a group of researchers demonstrates that this limitation can be overcome: even perfectly symmetric materials can produce sizeable photocurrents thanks to the special electronic states that naturally form at their surfaces.

Using first-principles calculations, we show that the surfaces of metals and semiconductors with strong relativistic spin–orbit interaction can host electronic states that behave very differently from those in the bulk. These surface states break inversion symmetry locally and respond nonlinearly to light, giving rise to robust charge currents and, remarkably, pure spin-polarized currents flowing along the surface. After benchmarking the mechanism on the well-known Au(111) surface, we identified Tl/Si(111) as an ideal material platform, predicting photocurrents comparable to those of leading ferroelectrics along with clear experimental signatures for detection.

The findings reveal a new strategy for light-to-electricity conversion: rather than searching for complex non-centrosymmetric crystals, scientists can “engineer” photocurrents by tailoring the surface electronic structure of otherwise symmetric materials. Beyond energy harvesting, the ability to generate and control spin currents with light—without magnets or applied voltages—opens promising opportunities for ultrafast, low-power spintronic devices.

Journal

Physical Review Letters

DOI

10.1103/h8rp-rtn8

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