Une étude de la KAUST montre que l'ingénierie de la bande interdite peut améliorer les performances des dispositifs optoélectroniques. Des dispositifs qui visent à exploiter l'énergie des électrons « chauds » dans les semi-conducteurs.
Les propriétés optiques des semi-conducteurs
Les semi-conducteurs ont une propriété caractéristique connue sous le nom de bande interdite. Une propriété qui correspond essentiellement à une gamme d'énergies interdites aux électrons. Les électrons à énergie supérieure à la limite supérieure de la bande interdite sont libres de se déplacer dans le matériau. En revanche, ceux avec une énergie inférieure à la limite inférieure de la bande interdite ne le sont pas. Aucun électron dont l'énergie se situe entre les deux ne peut donc exister dans le matériau.
Cette idée simple définit les propriétés optiques d'un semi-conducteur. L'énergie de toute lumière absorbée est transférée aux électrons du matériau. La plupart des électrons libres d'un semi-conducteur ont une énergie proche du sommet de la bande interdite. Mais l'absorption de photons d'une énergie bien supérieure à la bande interdite crée, à son tour, des électrons d'une énergie bien plus élevée. Des électrons également appelés « électrons chauds ».
Il est essentiel de comprendre le processus par lequel ces électrons dits « chauds » se détendent. Ils sont effectivement capables de se détendre jusqu'à une énergie plus proche du sommet de la bande interdite. Cela vous permettra de comprendre le fonctionnement des dispositifs de captage de la lumière. Par exemple, l'efficacité d'une cellule solaire est réduite si cet énorme excès d'énergie est perdu sous forme de chaleur. Cependant, il était extrêmement difficile, voire impossible, d'utiliser suffisamment ces électrons chauds dans de véritables applications de conversion de la lumière. La raison, selon Omar Mohamed, leur très courte durée de vie.
Une technique pour déterminer l'échelle de temps de la relaxation des électrons chauds
Mohammed et ses collègues ont utilisé l'ingénierie des interfaces et des bandes interdites pour retarder la relaxation des porteurs chauds (électrons et trous). Ce qui permet aussi d'augmenter considérablement leur durée de vie.
L'équipe a étudié un semi-conducteur connu sous le nom de pérovskite à halogénure de plomb. Elle a conçu et fabriqué des architectures composées de plusieurs puits quantiques : une fine couche de semi-conducteur prise en sandwich entre des couches absorbant la lumière et constituée d'un matériau à bande interdite plus large. Ils ont comparé les propriétés optiques de structures dans lesquelles les puits ont tous la même épaisseur et de structures asymétriques dans lesquelles la largeur des puits varie. Pour ce faire, ils ont utilisé une technique appelée spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde combinée à des calculs théoriques. Ce qui permet de déterminer l'échelle de temps de la relaxation des électrons chauds.
Ils ont constaté que le taux de refroidissement dépendait fortement de l'épaisseur du puits quantique dans l'échantillon asymétrique. De plus, la relaxation des porteurs chauds dans les puits quantiques multiples asymétriques était 12,5 fois plus lente que celle des puits quantiques multiples symétriques.
« Cette nouvelle découverte fournit une stratégie unique pour ralentir de manière significative le refroidissement des porteurs chauds dans les matériaux semi-conducteurs. L'objectif étant de mieux les utiliser dans les applications de cellules solaires », explique le post-doc Partha Maity.
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