Les scientifiques du NIM du LMU Munich ont découvert un nouvel effet concernant l'excitation optique des porteurs de charge dans un semi-conducteur solaire. Il pourrait faciliter l'utilisation de la lumière infrarouge, qui est normalement perdu dans les appareils solaires.

Les semi-conducteurs sont aujourd'hui les matériaux les plus utilisés pour convertir la lumière solaire en énergie électrique utilisable. L'Agence internationale de l'énergie (AIE) a rapporté qu'un demi-million de panneaux solaires ont été installés chaque jour dans le monde l'année dernière. Cependant, les cellules solaires à base de semi-conducteurs souffrent encore d'efficacités de conversion d'énergie relativement faibles. La raison à cela réside principalement dans le fait que les semi-conducteurs convertissent efficacement la lumière d'une très petite partie du spectre solaire en énergie électrique. La position spectrale de cette fenêtre de lumière qui peut être convertie efficacement est fortement liée à une propriété du semi-conducteur impliqué (c'est-à-dire, sa bande interdite). Cela signifie que, si le semi-conducteur est conçu pour absorber la lumière jaune, lumière de longueur d'onde plus longue (telle que la lumière rouge et infrarouge), traversera le matériau sans produire de courant. En outre, lumière de longueur d'onde plus courte (verte, lumière bleue et UV), qui est plus énergique que la lumière jaune, perdra sa quantité supplémentaire d'énergie en chaleur. L'obtention de rendements de conversion d'énergie plus élevés à partir des semi-conducteurs est donc toujours un grand défi.

Nanocristaux de pérovskite pour la conversion d'énergie

Pour étudier ces limites, Aurore Manzi, un doctorat étudiant de la Chaire de photonique dirigée par le Pr. Jochen Feldmann, a mesuré la densité de porteurs de charge créée par l'absorption de plusieurs photons dans des nanocristaux de pérovskite, un matériau nouveau et prometteur pour les applications photovoltaïques.

"L'absorption de photons multiples de la lumière à grande longueur d'onde avec une énergie inférieure à la fenêtre d'absorption des semi-conducteurs est généralement très inefficace.", met en évidence Manzi, premier auteur de la publication en Communication Nature et un étudiant du programme d'études supérieures NIM. "J'ai donc été totalement surpris d'observer que pour des longueurs d'onde d'excitation spécifiques, l'efficacité de ce processus est considérablement améliorée. Au début, cela n'avait aucun sens pour nous!"

Lumière et excitons "harmoniques" en résonance

Après d'intenses discussions, l'équipe de scientifiques de LMU a réalisé que ces résonances se produisent lorsque des multiples de deux fréquences fondamentales distinctes deviennent égaux, à savoir celle de la fréquence de l'oscillation lumineuse primaire et celle de la fréquence de la bande interdite ou plus précisément de l'exciton à la bande interdite.

On pourrait faire une analogie avec les phénomènes de résonance ou d'harmoniques en acoustique, couramment utilisé dans les instruments de musique. Lorsque la lumière rouge intense frappe des nanocristaux de pérovskite nanostructurés, un processus similaire à la génération d'harmoniques dans une corde de guitare a lieu. La longueur d'onde de la lumière fondamentale génère des harmoniques optiques d'ordre supérieur, qui sont des harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de l'oscillation lumineuse primaire. Lorsqu'une telle « harmonique légère » devient résonante avec une harmonique de la bande interdite excitonique, l'échange d'énergie est amélioré conduisant à une génération accrue de porteurs de charge ou plus précisément d'excitons multiples au niveau de la bande interdite.

Point de départ pour d'autres recherches

"Les résonances observées sont analogues aux phénomènes physiques se produisant dans deux cordes différentes d'une guitare", continue Manzi. « Si nous associons la première chaîne à l'excitation lumineuse et la deuxième à la bande interdite excitonique du semi-conducteur, nous savons par l'acoustique qu'ils entreront en résonance si une certaine harmonique de la première corde correspond à une autre harmonique de la deuxième corde."

"L'observation de ce nouveau phénomène de résonance pour les excitations optiques dans les semi-conducteurs excitoniques pourrait ouvrir la voie aux cellules solaires pour convertir plus efficacement la lumière à grande longueur d'onde en énergie électrique utilisable", ajoute le professeur Feldmann, le chef de l'équipe de recherche. « C'est une nouvelle découverte passionnante avec un impact possible pour les futurs appareils solaires. En collaboration avec nos collègues du réseau de recherche « Solar Technologies Go Hybrid » (SolTech), nous allons maintenant essayer de développer des applications innovantes en jouant avec de telles harmoniques."