Nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux irradiés avec de la lumière ultraviolette. Le confinement quantique fait varier l'énergie de la bande interdite avec la taille du nanocristal. Chaque flacon contient un échantillon monodispersé de nanocristaux dispersés dans un solvant liquide. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Wikipédia (c) walkman16
La course pour atteindre des taux de conversion photovoltaïque toujours plus élevés est, pour ainsi dire, un domaine de recherche brûlant. Un axe de recherche s'est concentré sur points quantiques – des nanocristaux semi-conducteurs de moins de 2 à 10 nanomètres (environ 10 à 50 atomes) de diamètre dans lesquels le mouvement des électrons est confiné dans les trois dimensions – en tant qu'éléments fondamentaux de la technologie des cellules solaires à l'échelle nanométrique.
Appelé quelques fois atomes artificiels , nanoparticules composées de cadmium, zinc, tellure, sélénium, le soufre et d'autres composés sont si minuscules que l'ajout ou la suppression d'un seul électron représente un changement significatif - une propriété qui les rend appropriés non seulement en tant que composants de cellules solaires avancées, mais aussi en éclairage à semi-conducteurs, capteurs médicaux et autres applications.
En particulier, points quantiques colloïdaux (CQDs) – synthétisés à partir d'un système à trois composants composé de :précurseurs, tensioactifs organiques, et les solvants - peuvent être ajustés en changeant leur taille, qui dans les structures photovoltaïques permet d'adapter leur réponse spectrale selon les besoins. Récemment, des chercheurs du département de génie électrique et informatique de l'Université de Toronto ont fait la démonstration des premières cellules solaires en tandem CQD (une série de cellules solaires connectées dans lesquelles l'ajout de plusieurs appareils permet d'optimiser chaque appareil pour un spectre plus étroit, ce qui donne une efficacité globale plus élevée ) en utilisant le réglage par effet de taille d'un seul matériau CQD, sulfure de plomb (II) (PbS). Leur capacité à régler les films CQD peut permettre cellules solaires multijonctions (fabriqué en combinant des CQD de différentes tailles) pour augmenter les limites de conversion des cellules solaires de 31 % à 42 % 49 %, respectivement.
La recherche - dirigée par le professeur Edward H. Sargent, avec Xihua Wang, Ghada I. Koleilat, et d'autres chercheurs de l'Université de Toronto – ont surmonté les difficultés rencontrées par les précédentes recherches photovoltaïques du CQD, qui ont été bloqués par une pièce manquante clé:la jonction - le point de connexion - entre les cellules avant et arrière. « Avant notre article, " dit Sargent, "il n'y avait eu aucun rapport antérieur d'une cellule solaire à points quantiques colloïdaux qui correspond efficacement aux courants à l'avant, ou bande interdite de longueur d'onde visible, cellule, et la cellule arrière à bande interdite infrarouge, et cela additionne avec succès les tensions dans chaque cellule. Nous avons développé une nouvelle technique - que nous appelons la Couche de recombinaison graduée – qui relie les cellules avant et arrière sans pratiquement aucune perte de performance grâce à une série de matériaux qui transfèrent progressivement l'activité des cellules avant à celle de la cellule arrière.
La clé est que cette pile de matériaux est hautement transparente, et s'est donc avéré très efficace dans la construction de la première cellule tandem efficace à points quantiques colloïdaux. À ce point, ajoute Sargent, « Le principal besoin avancé du photovoltaïque CQD est l'amélioration du transport au sein de la couche de points quantiques colloïdaux elle-même. Cela profitera à la fois aux cellules solaires à jonction unique et à jonctions multiples. »
Au niveau des candidatures, Sargent note que « une fois que nous dépassons 10 % d'efficacité de conversion de l'énergie solaire (aujourd'hui, les meilleurs rapports pour le photovoltaïque CQD sont de 5,6 %, donc nous avons encore du chemin à parcourir), nous serons prêts à créer flexible, cellules solaires de grande surface à faible coût. Spécifiquement, Notre efficacité cible combinée à nos faibles coûts de matériaux et de fabrication conduira à une amélioration spectaculaire du coût global d'installation par Watt*crête.
Fonctions d'onde d'électrons confinés en 3D dans une boîte quantique. Ici, des points quantiques rectangulaires et triangulaires sont représentés. Les états d'énergie dans les points rectangulaires sont plus de « type s » et de « type p ». Cependant, dans un point triangulaire, les fonctions d'onde sont mélangées en raison de la symétrie de confinement. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Wikipedia (c) Saumitra R Mehrotra &Gerhard Klimeck nanohub.org/resources/8805
Ça suit, alors, que le photovoltaïque CQD se prête à une mise à l'échelle importante. « Même dans le laboratoire de R&D, " Sargent fait remarquer, « Nous synthétisons suffisamment de points quantiques colloïdaux à chaque essai pour couvrir un mètre carré de surface avec un absorbeur de lumière complet. Il reste du travail à faire pour développer les approches finales de traitement des couches minces compatibles avec le traitement rouleau à rouleau sur de grandes surfaces. »
Sargent note qu'il y a un certain chevauchement avec la recherche sur l'émission thermoionique améliorée de photons (PETE) de l'Université de Stanford. PETE augmente l'efficacité de conversion d'énergie des dispositifs thermoioniques (qui convertissent la chaleur en électricité) mis en œuvre comme cycles d'appoint pour les systèmes solaires thermiques, doublant ainsi potentiellement les taux de conversion photovoltaïque. « Ce que nos approches ont en commun, c'est de diviser le spectre en deux composants :le visible à haute énergie et l'autre à faible énergie mais à fluence photonique abondante, ou fondant, infrarouge. Cela dit, ", souligne-t-il, « il y a aussi des différences importantes :notre approche ne nécessite pas de concentration optique, alors que PETE le fait. Aussi, le nôtre fonctionne mieux à des températures ambiantes typiques; PETE exige que la cathode fonctionne à 600-800°C.
Sargent considère que les prochaines étapes de la recherche de l'équipe sont « axées sur la tâche d'améliorer le transport des électrons et des trous à l'intérieur des films à points quantiques colloïdaux dans le but de fabriquer des produits traités à basse température, souple, cellules solaires à faible coût qui dépassent l'efficacité de conversion de l'énergie solaire de 10 %.
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