Avancées hongkongaises pour les semi-conducteurs nanofibres

Hong Kong

Brève
Hong Kong | Sciences de l’ingénieur : aéronautique, mécanique, électronique, génie civil | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique | Sciences et technologies de l’information et de la communication : TIC, télécoms, micro-nanotechnologies, informatique
11 septembre 2017

Une équipe de chercheurs du département Génie Mécanique de Hong Kong Polytechnic University (PolyU) a amélioré la capacité de conduction des semi-conducteurs en y intégrant une structure nanofibre hautement conductrice. Ce nouveau composite, applicable à de nombreux domaines, pourrait notamment améliorer le rendement et la capacité de recharge des cellules photovoltaïques principalement constituées de semi-conducteurs.

Le semi-conducteur est un matériau qui possède une conductivité électrique pouvant varier en fonction des conditions dans lesquelles il se trouve. Plus spécifiquement, il possède une conductivité intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. Sa conductivité est liée au nombre de porteurs de charge (électron-trou). Si une liaison de valence est brisée (agitation thermique, photon, …), l’électron devient mobile. La libération d’un électron de conduction (son passage de la bande de valence à la bande de conduction) laisse un excès de charge positive, appelé "trou" (band gap), dans la bande de valence qui participera à la conduction électrique.
Les semi-conducteurs fabriqués en nanofibres sont souvent utilisés dans les dispositifs photoniques modernes (comme dans les cellules photovoltaïques, et les photocatalyseurs par exemple), et dans les dispositifs non-photoniques (comme les capteurs chimico-biologiques, les batteries lithium). Ces semi-conducteurs nanofibres possèdent un diamètre ne dépassant pas les 60nm (moins de 1/1000 du cheveux humain). Cependant, les électrons et les trous générés par la lumière ou l’énergie dans les semi-conducteurs se recombinent facilement, réduisant ainsi l’efficacité du courant ou du dispositif et limitant le développement et les applications des semi-conducteurs nanofibres.

Conductivité des différents matériau (métal, semi-conducteur, isolant) (Crédit image)

La nouvelle technologie développée par l’équipe du le professeur Wallace LEUNG (Département Technologies et Produits Innovants), a pallié cet obstacle en appliquant l’électrospinning. Avec l’émergence de la nanotechnologie, les chercheurs s’intéressent davantage à l’études des propriétés uniques des matériaux à l’échelle nanométrique. L’électrospinning est un procédé de production de fibres nanométriques et électrostatiques utilisant un champ électrique pour dessiner des fils chargés de solutions de polymère. Dans ce dispositif, l’équipe a inséré une tranche de graphène hautement conductrice dans le composite des semi-conducteurs (tel que le dioxyde de titane TiO2). Ce nouveau composite ainsi constitué, fournit un chemin dédié au transport d’électron et assure une conductivité optimale pour ces derniers, éliminant le problème de la recombinaison "électron-trou".
L’application de ce composite dans la fabrication des cellules solaires (cellules à pigments photosensibles – DSSC Dye Sensitized Solar Cell, ou cellules solaires de perovskite) pourrait stimuler la conversion d’énergie de 40% à 60% d’après les différents tests réalisés par cette équipe. En effet, l’énergie solaire, après absorption par de petites molécules organiques attachées aux fibres, est transmise par les nanofibres aux électrodes, et ensuite par le circuit externe alimentant la charge externe. La technologie pourrait plus largement être utilisée dans les dispositifs non-photoniques, tel que les capteurs chimico-biologiques afin d’améliorer la sensibilité et la vitesse de détection ; ainsi que dans les structures d’anodes et de cathodes dans les batteries au lithium (avec une impédance inférieure et un stockage plus élevé).

Professeur Wallace Leung (Crédit image : Hong Kong Polytechnic University)


Ce projet de recherche innovant a reçu la médaille d’or avec les félicitations du jury lors du 45ème Salon International des Inventions de Genève, qui s’est tenu du 29 mars au 2 avril.

Sources :
https://www.polyu.edu.hk/web/en/media/media_releases/index_id_6404.html
https://www.sciencedaily.com/releases/2017/04/170418114514.htm
Rédactrice : Justine ONG, Chargée de mission scientifique – Hong Kong

PLAN DU SITE