L’oxyde de cuivre, le nouveau rival du silicium ?

Les chercheurs ont découvert une nouvelle méthode pour optimiser les matériaux utilisés dans la production d’hydrogène vert, un carburant durable et propre. Cette avancée pourrait contribuer à accélérer la transition énergétique et à réduire notre dépendance aux combustibles fossiles.

Des matériaux abondants et non toxiques

L’équipe de recherche, dirigée par l’Université de Cambridge, développe des semi-conducteurs peu coûteux capables de capter la lumière du soleil pour alimenter des dispositifs qui convertissent l’eau en hydrogène. Ces matériaux, appelés oxydes de cuivre, sont abondants et non toxiques, mais leurs performances restent inférieures à celles du silicium, qui domine actuellement le marché des semi-conducteurs.

Cependant, les chercheurs ont découvert qu’en faisant croître les cristaux d’oxyde de cuivre dans une orientation spécifique, permettant aux charges électriques de se déplacer en diagonale, ces dernières se déplacent beaucoup plus rapidement et sur de plus grandes distances, améliorant ainsi considérablement les performances.

Une amélioration significative des performances

Les tests réalisés sur une photocathode à base d’oxyde de cuivre, fabriquée selon cette technique, ont montré une amélioration de 70% par rapport aux photocathodes à base d’oxyde les plus performantes actuellement disponibles, tout en affichant une stabilité nettement améliorée.

Selon les chercheurs, ces résultats démontrent comment des matériaux peu coûteux pourraient être optimisés pour contribuer à la transition vers des carburants propres et durables, pouvant être stockés et utilisés avec les infrastructures énergétiques existantes.

Un défi majeur pour les oxydes de cuivre

Le Dr Linfeng Pan, co-premier auteur de l’étude, explique que l’un des principaux défis des oxydes de cuivre réside dans la différence entre la profondeur d’absorption de la lumière et la distance parcourue par les charges électriques au sein du matériau. Ainsi, une grande partie de l’oxyde situé sous la couche supérieure du matériau est essentiellement inutilisée.

Le professeur Sam Stranks, qui a dirigé la recherche, souligne que contrairement à la plupart des matériaux utilisés dans les cellules solaires, où les défauts de surface réduisent les performances, dans le cas des oxydes de cuivre, c’est l’inverse : la surface est globalement correcte, mais quelque chose dans la structure interne entraîne des pertes. Cela signifie que la façon dont les cristaux sont cultivés est essentielle pour leurs performances.

Une orientation cristalline « magique »

En utilisant des techniques de dépôt en couche mince, les chercheurs ont réussi à faire croître des films d’oxyde de cuivre de haute qualité à pression ambiante et à température ambiante. En contrôlant précisément les taux de croissance et de flux dans la chambre, ils ont pu «orienter» les cristaux dans une direction particulière.

Le Dr Pan explique que ces cristaux sont essentiellement des cubes, et que lorsque les électrons se déplacent à travers le cube en diagonale, plutôt que le long de la face ou de l’arête du cube, ils parcourent une distance dix fois supérieure. Plus les électrons se déplacent loin, meilleures sont les performances.

Le professeur Stranks qualifie cette direction diagonale de «magique» dans ces matériaux, tout en soulignant la nécessité de poursuivre les recherches pour comprendre pleinement ce phénomène et l’optimiser davantage.

Vers un rôle crucial dans la transition énergétique

Bien que de nombreux travaux de recherche et de développement soient encore nécessaires, les chercheurs estiment que cette famille de matériaux et les familles apparentées pourraient jouer un rôle essentiel dans la transition énergétique.

Le professeur Stranks conclut en soulignant que même s’il reste encore un long chemin à parcourir, cette découverte ouvre des perspectives passionnantes. Il est intéressant pour lui de relier la physique de ces matériaux à leur croissance, leur formation et, en fin de compte, leurs performances.

Article : « High carrier mobility along the [111] orientation in Cu2O photoelectrodes » – DOI: 10.1038/s41586-024-07273-8