Les dispositifs photovoltaïques ultra fins sont à la base de la technologie solaire et les gains d'efficacité de leur production sont donc vivement recherchés. Les chercheurs de KAUST ont combiné et réarrangé différents semi-conducteurs pour créer ce que l'on appelle des hétérojonctions latérales p-n - un processus plus simple qui, espèrent-ils, transformera la fabrication des cellules solaires, nanoélectronique auto-alimentée ainsi que ultramince, transparent, appareils flexibles.

Monocouches semi-conductrices bidimensionnelles, tels que le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition comme WSe2 et MoS2, possèdent des propriétés électriques et optiques uniques qui en font des alternatives potentielles aux matériaux conventionnels à base de silicium. Les progrès récents dans les techniques de croissance et de transfert de matériaux ont permis aux scientifiques de manipuler ces monocouches. Spécifiquement, l'empilement vertical a conduit à des dispositifs photovoltaïques ultrafins mais nécessite de multiples étapes de transfert complexes. Ces étapes sont entravées par divers problèmes, tels que la formation de contaminants et de défauts à l'interface monocouche, qui limitent la qualité de l'appareil.

« Les dispositifs obtenus à l'aide de ces techniques de transfert sont généralement instables et varient d'un échantillon à l'autre, " déclare le chercheur principal et ancien étudiant invité du professeur agrégé, Jr-Hau He, Meng Lin Tsai, qui ajoute que les contaminants liés au transfert affectent considérablement la fiabilité de l'appareil. Les propriétés électroniques se sont également avérées difficiles à contrôler par empilement vertical.

Pour exploiter pleinement les propriétés exceptionnelles de ces matériaux bidimensionnels, L'équipe de Tsaï, sous le mentorat de He, créé des monocouches présentant des hétérojonctions latérales WSe2-MoS2 et les a incorporées dans des cellules solaires. Sous la lumière du soleil simulée, les cellules ont atteint une plus grande efficacité de conversion de puissance que leurs équivalents empilés verticalement.

Pour faire ça, les chercheurs ont d'abord synthétisé les hétérojonctions en déposant consécutivement du WSe2 et du MoS2 sur un substrat de saphir. Prochain, ils ont transféré les matériaux sur une surface à base de silicium pour la fabrication de dispositifs photovoltaïques.

La microscopie à haute résolution a révélé que la jonction latérale présentait une séparation nette entre les semi-conducteurs à l'interface. Aussi, les chercheurs n'ont détecté aucune différence de hauteur discernable entre les régions semi-conductrices, compatible avec une interface atomiquement mince.

Ces caractéristiques interfaciales ont signalé le succès. "Nos structures sont plus propres et plus idéales que les assemblages empilés verticalement car nous n'avons pas eu besoin de la procédure de transfert en plusieurs étapes, " explique Tsai.

Par ailleurs, les hétérojonctions latérales ont pour la plupart conservé leur efficacité malgré les changements d'orientation de la lumière incidente. Être capable de capter la lumière provenant de n'importe quelle direction signifie que les systèmes de suivi solaire coûteux deviendront redondants.

Selon Tsai, la mise en œuvre d'hétérojonctions latérales dans des circuits et des interconnexions plus complexes peut entraîner des performances supérieures à celles des cellules solaires conventionnelles. L'équipe travaille donc sur les prochaines étapes. "Nous essayons de comprendre la cinétique et la thermodynamique sous-jacentes de ces hétérojonctions pour concevoir des cellules plus efficaces, " il ajoute.