Un éclair de lumière d’une fraction de milliseconde pourrait contribuer à créer de meilleurs matériaux pour l’énergie solaire.
Des chercheurs de l’Université hébraïque de Jérusalem ont utilisé un chauffage ultra-rapide — jusqu’à dix millions de degrés Celsius par seconde — pour réorganiser les atomes d’un semi-conducteur. Ils ont ainsi obtenu une version du matériau produisant jusqu’à cinquante fois plus de courant électrique à partir de la lumière que le même matériau dans sa forme ordinaire.
Le tour de force tient à ce que le flash ne chauffe que le revêtement, et non la surface sur laquelle il repose.
Les chiffres sont saisissants. Le revêtement a atteint près de 2 000 degrés, tandis que la plaque de verre qui le supportait restait sous les 100 degrés. Or ni ce verre ni sa couche conductrice ne tolèrent des températures dépassant 500 à 600 degrés. C’est précisément pour cette raison que les traitements à haute température étaient jusqu’ici considérés comme inaccessibles sur ce type de support.
L’étude, publiée dans la revue Small Structures, a été dirigée par Shahar Artzi et le docteur Ronen Gottesman, de l’Institut de chimie et du Centre de nanoscience et nanotechnologie de l’Université hébraïque.
Pour comprendre l’enjeu, il faut un détour par une notion simple.
Beaucoup de matériaux peuvent exister sous plusieurs formes cristallines — on parle de polymorphes — tout en ayant exactement la même composition chimique. L’exemple d’école est le diamant et le graphite : les deux sont du carbone pur, seule l’organisation des atomes diffère, et les propriétés n’ont rien à voir.
Dans les matériaux électroniques, la forme la plus intéressante est souvent celle qui ne survit qu’à haute température, et qui repasse à l’état ordinaire dès qu’on laisse refroidir lentement. Deux obstacles empêchaient de la conserver. Un four chauffe le revêtement et le support ensemble, si bien que le verre atteint sa limite bien avant que le film n’atteigne la température voulue. Et un four refroidit lentement, ce qui laisse aux atomes tout le temps de se réinstaller dans leur configuration habituelle.
D’où la technique employée, appelée chauffage photonique par flash.
Les chercheurs ont exposé des films minces d’oxyde de bismuth à de puissantes impulsions de lumière blanche — le même principe qu’un flash d’appareil photo, mais infiniment plus intense et calibré à la microseconde près. Les impulsions durent entre un dixième de milliseconde et quelques millisecondes. Le film absorbe directement la lumière, et chauffe puis refroidit bien plus vite que le verre ne peut suivre.
L’idée, explique le docteur Gottesman, est de chauffer et refroidir le matériau si rapidement qu’on le piège dans une structure cristalline qui disparaîtrait normalement. Cela permet d’accéder à des propriétés utiles que les méthodes de chauffage conventionnelles ne parviennent pas à préserver.
Un détail de l’expérience mérite d’être souligné, car il est contre-intuitif. Ce n’est pas la quantité totale d’énergie délivrée qui décide du résultat. Deux impulsions transportant exactement la même énergie ont produit deux matériaux différents — la seule variable étant la vitesse à laquelle cette énergie arrivait.
Les impulsions longues donnaient la phase alpha, stable. Les impulsions courtes et puissantes piégeaient à température ambiante la phase bêta, moins stable.
Et cette transformation se voit à l’œil nu : le matériau passe du gris pâle au jaune vif.
Le gain est là. La phase bêta absorbe une gamme plus large de lumière visible — elle capte ce que la forme alpha laisse simplement passer — et produit entre dix et cinquante fois plus de photocourant, c’est-à-dire de courant électrique généré par la lumière, selon la manière dont le film a été préparé. Les chercheurs attribuent cette amélioration à une circulation plus efficace des charges électriques à travers la structure modifiée.
Le docteur Gottesman insiste sur ce qui rend l’approche prometteuse : ils ne modifient pas la composition chimique du matériau. Ils contrôlent la manière dont ses atomes sont agencés, et ce changement de structure suffit à transformer sa réponse à la lumière.
Il en propose une image parlante. L’analogie la plus proche dans la vie courante, dit-il, c’est la trempe de l’acier par le forgeron : refroidissez assez vite, et la structure n’a pas le temps de revenir à ce qu’elle préférerait être. Les chercheurs font la même chose avec de la lumière, à l’échelle de la milliseconde — et ils le font sur du verre conducteur transparent, le même type de surface que l’on trouve derrière un écran tactile.
Autre résultat, présenté comme inédit : l’équipe est parvenue à faire basculer le matériau d’une phase à l’autre et retour, de manière répétée. Selon les chercheurs, un tel commutateur réversible, réalisé directement sur le verre conducteur utilisé dans les dispositifs réels, n’avait jamais été démontré auparavant.
Reste la portée. L’étude a porté sur l’oxyde de bismuth, mais la méthode pourrait, selon ses auteurs, s’appliquer à d’autres matériaux employés dans la conversion de l’énergie solaire, la photocatalyse et l’électronique avancée. L’équipe examine désormais si l’approche peut être étendue à des supports en plastique et flexibles, dont la tolérance à la chaleur est encore plus faible.
Un mot de prudence pour finir : il s’agit de films minces en laboratoire, sur des échantillons de treize millimètres de côté. Aucun rendement de panneau solaire n’a été mesuré. Ce qui est démontré, c’est une méthode de fabrication — et c’est déjà considérable.
Sur la recherche israélienne, nos publications précédentes prolongent le sujet. Nous avions relayé l’étude israélienne reliant le sentiment d’utilité à la santé cognitive des seniors, l’histoire de la princesse juive du Bahreïn, ainsi que le parcours d’un ancien dirigeant néonazi hongrois devenu juif.
Deux sujets repérés au passage sur le même fil, si tu veux poursuivre : un rythme quotidien caché de la croissance de la tomate, qui pourrait aider les cultures à résister aux canicules et à la sécheresse (24 août) ; et une étude montrant que les cellules d’un même âge vieillissent à des vitesses très différentes (10 août).
