Lorsqu'une cellule solaire absorbe un photon de lumière, il entame une course électronique contre la montre. Deux particules - un électron chargé négativement et un "trou" chargé positivement - génèrent de l'électricité si elles se séparent complètement.

Cependant, lorsque ces particules sont piégées dans un matériau solaire avant de pouvoir se séparer complètement, cela peut diminuer la capacité du matériau à convertir la lumière en électricité.

Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont publié une nouvelle étude qui identifie le processus par lequel les trous sont piégés dans les nanoparticules d'oxyde de zinc, un matériau d'intérêt potentiel pour les applications solaires car il absorbe la lumière ultraviolette.

"Si vous fabriquez une cellule solaire, vous voulez éviter les trous de piégeage; mais si vous fabriquez un photocatalyseur, vous voulez les piéger. »—Le spécialiste des rayons X Christopher Milne de l'Institut Paul Scherrer en Suisse.

En utilisant les rayons X produits par la source de photons avancée (APS) d'Argonne, les chercheurs ont pu voir le piégeage de trous dans des régions spécifiques de la nanoparticule. Cela représente une avancée notable, car les expériences précédentes ont pu détecter la migration et le piégeage des électrons mais pas des trous.

Selon Stephen Southworth, un auteur de l'étude, certains ont considéré l'oxyde de zinc comme une alternative possible au dioxyde de titane, le matériau photovoltaïque le plus couramment utilisé. Comprendre le comportement de piégeage des trous est nécessaire pour évaluer la viabilité du matériau dans les applications d'énergie solaire, il a dit.

Bien que le piégeage des trous altère les performances des dispositifs photovoltaïques, il peut améliorer la capacité de l'oxyde de zinc à agir comme photocatalyseur, car les charges positives stockées dans les pièges à l'intérieur du matériau peuvent continuer à participer à des réactions chimiques.

"Si vous fabriquez une cellule solaire, vous voulez éviter les trous de piégeage; mais si vous fabriquez un photocatalyseur, vous voulez les piéger, " a déclaré le chef de projet Christopher Milne, un scientifique en rayons X à l'Institut Paul Scherrer en Suisse. "Indépendamment, comprendre comment ces atomes sont piégés - et pendant combien de temps - est d'une importance cruciale pour fabriquer des matériaux fonctionnels qui convertissent la lumière en énergie utilisable."

Les chercheurs ont déterminé que les trous étaient piégés dans des « lacunes d'oxygène », des endroits dans le réseau cristallin où un atome d'oxygène est manquant. Oxyde de zinc, Milne a dit, a une structure cristalline qui lui permet d'avoir plusieurs de ces lacunes. Le piégeage se produit parce que les vacances ont un niveau d'énergie plus faible que le milieu environnant, créant une crevasse énergétique pour les trous de passage.

Pour faire leurs mesures, les chercheurs ont combiné deux techniques différentes de rayons X :la spectroscopie d'absorption des rayons X et la spectroscopie d'émission de rayons X par résonance. "La combinaison de ces techniques est uniquement possible avec la configuration que nous avons à l'APS, nous donnant une vue qui nous montre à la fois la géométrie atomique et la structure électronique du matériau, " a déclaré Gilles Doumy, physicien des rayons X d'Argonne, un auteur de l'étude, qui utilisait la ligne de lumière 7ID-D à l'APS.

« APS était l'un des seuls endroits au monde où nous aurions pu faire cette expérience. Ce fut une collaboration très fructueuse, " a déclaré Milne. L'APS est une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Les chercheurs ont indiqué que les futures études du système pourraient bénéficier de la possibilité de prendre des instantanés extrêmement rapides du comportement de piégeage. Une telle expérience pourrait être menée dans des installations de laser à électrons libres à rayons X comme la source de lumière cohérente Linac du SLAC, également une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science.

"Essentiellement, nous voulons voir le même processus mais avoir la possibilité de prendre des images mille fois plus vite, " a déclaré Southworth.

« La fonctionnalité du matériau dépendra toujours de la façon dont le comportement au début du processus influence le comportement à des moments plus tardifs et plus longs, " a ajouté Doumy. " Nous avons besoin des deux images pour une compréhension globale. "

Un article basé sur la recherche, "Révéler le piégeage des trous dans les nanoparticules d'oxyde de zinc par spectroscopie de rayons X résolue en temps, " paru dans le numéro en ligne du 2 février de Communication Nature .