L'avenir de l'énergie photovoltaïque grâce aux matériaux semi-conducteurs 2D à base de chalcogénures métalliques

Les matériaux semi-conducteurs 2D à base de chalcogénures métalliques suscitent un grand intérêt en raison de leurs propriétés exceptionnelles, telles que leur faible bande interdite, leur mobilité des porteurs élevée, et leur capacité à absorber et émettre la lumière de manière très efficace. Ces matériaux se révèlent être des candidats idéaux pour des dispositifs optoélectroniques comme les photodétecteurs, les diodes électroluminescentes et les cellules solaires. De plus, leur flexibilité et leur résistance mécanique accrue sont des atouts essentiels pour les technologies électroniques flexibles et portables. Ces propriétés rendent les chalcogénures métalliques bidimensionnels (TMDs) particulièrement adaptés aux applications modernes dans le domaine de l'énergie, notamment dans les dispositifs thermovoltaïques et photovoltaïques.

Les cellules solaires de première génération, à base de silicium monocristallin ou d'arséniure de gallium, ont été les pionnières en matière d'efficacité, avec des rendements de conversion énergétique compris entre 15 et 24 %. Cependant, ces technologies présentent des limitations, notamment des coûts de fabrication élevés et une sensibilité aux variations de température. La deuxième génération de cellules solaires a évolué vers des technologies à couches minces, comme le tellurure de cadmium et le séléniure de cuivre-indium-gallium, offrant des rendements plus élevés et des coûts de fabrication réduits. La troisième génération, quant à elle, a introduit des technologies telles que les cellules solaires à points quantiques, organiques et sensibilisées par des colorants, avec des rendements allant de 5 à 20 %.

En parallèle, la quatrième génération de cellules solaires, qui intègre des nanostructures hybrides inorganiques-organiques et des matériaux nanocomposites comme les oxydes métalliques et les nanoparticules métalliques, promet de révolutionner le secteur photovoltaïque. Ces dispositifs, souvent désignés sous le terme de "nanophotovoltaïques", représentent l'avenir de l'industrie solaire, avec un potentiel de réduction des coûts et d'amélioration des performances.

L'innovation dans ce domaine a permis d'atteindre des rendements de conversion énergétique exceptionnels, avec des cellules solaires à quadruple jonction atteignant des rendements supérieurs à 44 %. Cette avancée pourrait permettre de réduire considérablement le coût de la production d'énergie solaire dans les années à venir, rendant cette technologie plus compétitive par rapport aux sources d'énergie conventionnelles.

Un autre aspect important à considérer est la durabilité des matériaux et des dispositifs photovoltaïques. Les matériaux utilisés doivent non seulement offrir des performances élevées, mais aussi résister à l'usure et à la dégradation au fil du temps. La stabilité chimique et la résistance mécanique des TMDs sont donc des facteurs déterminants pour garantir une longue durée de vie des dispositifs solaires, ce qui est essentiel pour leur adoption à grande échelle dans des applications résidentielles, commerciales et industrielles.

Dans les années à venir, le marché mondial des cellules photovoltaïques, qui représente déjà une valeur de 100 milliards de dollars, devrait connaître une expansion rapide, notamment en raison des nouvelles opportunités offertes par les marchés émergents. L'innovation dans les matériaux et les technologies photovoltaïques continuera à jouer un rôle clé dans la transition énergétique mondiale. Cependant, pour que cette transition soit pleinement réalisée, il est crucial de surmonter les défis techniques liés à la fabrication de matériaux semi-conducteurs à haut rendement tout en réduisant les coûts de production.

Comment les propriétés mécaniques des matériaux semi-conducteurs 2D influencent leur utilisation dans les dispositifs optoélectroniques et mécaniques

Les matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D-SCM) suscitent un intérêt croissant en raison de leurs caractéristiques exceptionnelles, qui incluent des propriétés optiques, électriques et thermiques remarquables. Ces matériaux, tels que le MoS2, sont des candidats prometteurs pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques de nouvelle génération en raison de leur mobilité élevée des porteurs de charge et de leurs interactions fortes avec la lumière. Cependant, la compréhension des propriétés mécaniques des 2D-SCM, notamment leurs comportements sous des contraintes mécaniques, est cruciale pour évaluer leur potentiel dans des applications telles que les capteurs, les résonateurs et l'électronique flexible.

D’autres méthodes ont été explorées pour quantifier les interactions entre les couches dans les hétérostructures. L'une d'entre elles consiste à utiliser la nanoindentation pour mesurer le module élastique (E2D) des matériaux bilayers. Une étude a révélé que pour les structures bilayer, la valeur d’E2D était inférieure à la somme des modules de chaque couche monomoléculaire, suggérant que les couches glissent les unes sur les autres en raison des interactions entre les couches. Par exemple, les résultats pour la structure hétérostructure MoS2–WS2 ont révélé un coefficient d’interaction de 0,80, tandis que pour une structure homostructurée MoS2–MoS2, ce coefficient était de 0,75. Ces observations sont essentielles pour comprendre le comportement mécanique des hétérostructures bidimensionnelles, mais elles ne permettent pas de calculer précisément l’énergie d’adhésion ou les interactions intercalaires, ce qui reste un domaine de recherche à approfondir.

Les recherches récentes ont également mis en lumière l'importance des propriétés thermiques des 2D-SCM. Leur capacité à gérer la chaleur est cruciale pour le développement de matériaux thermoélectriques et pour des dispositifs destinés à la gestion thermique, comme les systèmes de refroidissement. Les matériaux 2D possèdent une conductivité thermique modifiée par leur structure atomique, ce qui les rend très prometteurs dans des applications nécessitant un contrôle précis de la chaleur, telles que l'électronique flexible et les dispositifs photoniques avancés.

Cependant, malgré ces avantages, plusieurs défis demeurent. La stabilité des matériaux 2D-SCM reste une question clé, notamment en ce qui concerne leur résistance aux défauts et leur durabilité à long terme dans des applications réelles. Les hétérostructures, bien qu'elles offrent des propriétés améliorées, sont particulièrement sensibles aux défauts et aux imperfections dans les interfaces, ce qui peut altérer les interactions intercalaires et influencer négativement les performances mécaniques. De plus, le contrôle précis des défauts dans ces matériaux pourrait à la fois améliorer ou réduire leurs performances selon les types de défauts présents. Ainsi, une évaluation approfondie de l'impact des défauts sur les propriétés mécaniques et optoélectroniques des 2D-SCM est indispensable pour maximiser leur potentiel.

Les Défis de l'Informatique Neuromorphique et des Matériaux Ferroélectriques 2D

L'informatique traditionnelle fait face à des défis computationnels majeurs, en particulier en raison de la croissance exponentielle des données, induite par les avancées de l'intelligence artificielle, du big data, de l'apprentissage automatique et de l'Internet des objets. Ces défis proviennent principalement de la séparation physique entre les unités de traitement et de stockage, qui limite la vitesse des opérations de lecture et d'écriture des données. En conséquence, cela conduit à une consommation d'énergie excessive. Pour surmonter ces limitations, l'informatique neuromorphique a émergé comme une solution potentielle, en particulier pour résoudre le goulot d'étranglement de von Neumann. Cette approche s'inspire des capacités d'apprentissage, de mémorisation et de traitement de l'information du cerveau humain. En effet, le cerveau humain possède une capacité remarquable à traiter simultanément de vastes quantités d'informations, tout en maintenant un niveau élevé d'efficacité énergétique, avec une consommation de puissance inférieure à 20 W. L'informatique neuromorphique, en employant des unités de traitement et de stockage physiquement séparées, vise à offrir des performances élevées et une efficacité énergétique optimale dans les systèmes informatiques de prochaine génération.

Les chercheurs, tels que Chen et al., ont fabriqué avec succès un dispositif Fe-FET 2D HZO/WS2 pour imiter la plasticité observée dans les synapses biologiques. Dans le contexte d'une synapse biologique, il est observé que les vésicules de neurotransmetteurs situées dans un neurone présynaptique peuvent diffuser à travers la fente synaptique, atteignant finalement le neurone postsynaptique. Ce processus déclenche un courant postsynaptique en réponse à un stimulus électrique. Le poids synaptique peut être modulé en appliquant une série de pulses de tension sur la porte, entraînant la potentiation ou la dépression du courant postsynaptique (courant drain-source) libéré par le dispositif synaptique. Ce dernier présente une plasticité synaptique à long terme grâce à la polarisation non volatile dans l'HZO. De plus, le dispositif synaptique utilisant la combinaison de matériaux P(VDF-TrFE)/MoS2 a montré un rapport ON/OFF substantiel, dépassant 1 000 états contrôlables.

Dans le domaine de la valleytronique, certains matériaux présentent plusieurs vallées dans leur structure électronique, offrant ainsi un degré de liberté supplémentaire pour les électrons. Cette caractéristique est particulièrement marquante dans les matériaux 2D comme le MoS2 2H, où l'absence de symétrie d'inversion génère un moment orbital de vallée contrasté et une courbure de Berry. Ces propriétés mènent à des règles de sélection optique opposées pour la lumière circulairement polarisée et à l'apparition de l'effet Hall de vallée. En appliquant des champs externes, une polarisation de vallée peut être obtenue en brisant la symétrie de temps. Ce phénomène peut être exploité dans des dispositifs optoélectroniques tunables, ouvrant ainsi des applications potentielles dans le domaine de l'affichage et de la détection optique.

Dans cette quête d’avancées des ferroélectriques 2D, diverses approches existent pour explorer de nouveaux matériaux ferroélectriques. Ces méthodologies englobent des études fondamentales sur les propriétés physiques des matériaux, mais aussi des explorations expérimentales pour observer et exploiter leurs comportements dans des dispositifs pratiques. Les défis sont nombreux, mais les perspectives qu'offrent ces matériaux sont prometteuses, et il devient de plus en plus évident qu'ils joueront un rôle clé dans la prochaine génération de technologies.