Un point quantique de sulfure de plomb avec des ligands de surface à longue chaîne. Les cellules solaires fabriquées avec des points quantiques sont très prometteuses en tant que technologie photovoltaïque de prochaine génération, mais doivent démontrer une stabilité à long terme. Crédit :KAUST, Ahmad Kirmani
Un procédé développé à KAUST pour déposer des films extrêmement minces et lisses peut faciliter la fabrication de cellules solaires stables basées sur la technologie des points quantiques.
Les points quantiques colloïdaux sont de minuscules particules semi-conductrices capables d'absorber la lumière sur une large gamme de longueurs d'onde. Parce que ces points sont faciles à mélanger dans des solvants liquides, les chercheurs les ont utilisées comme « encres solaires » pouvant être imprimées sur des feuilles de plastique pliables. Cependant, les premiers prototypes ont révélé que l'exposition à l'air et aux rayons ultraviolets dégradait la capacité de la cellule à transformer la lumière du soleil en électricité.
"Avant 2014, les cellules solaires à points quantiques colloïdaux étaient très instables et ne pouvaient pas survivre en dehors d'un environnement azoté contrôlé, " dit Ahmad Kirmani, ancien de KAUST. " Cette situation a changé avec le développement d'une nouvelle architecture qui a amélioré à la fois la stabilité de l'appareil et l'efficacité de la conversion de puissance. "
Les dernières cellules solaires à points quantiques prennent en sandwich les minuscules particules entre deux films appelés couches de transport d'électrons ou de trous. Ces revêtements sont conçus pour extraire rapidement les charges négatives ou positives générées par les points photoexcités vers un circuit externe. En outre, les couches offrent une protection indispensable contre les éléments extérieurs.
Schéma montrant une cellule solaire de contrôle avec une couche épaisse de transport d'électrons d'oxyde de zinc (ETL) (à gauche) et une cellule solaire utilisant la couche de transport d'électrons ultrafine et stable développée dans ce travail (à droite). Les images SEM sont derrière chaque schéma. Crédit :KAUST 2020 ; Ahmad R. Kirmani
Kirmani et ses collègues ont réalisé que la réduction de la taille de la couche de transport d'électrons pouvait améliorer les performances des cellules solaires à points quantiques. Ces films comprennent souvent des matériaux sensibles aux ultraviolets, comme l'oxyde de zinc, et doivent généralement avoir une épaisseur de plus de 100 nanomètres pour éviter la formation de défauts susceptibles de court-circuiter l'appareil. En revanche, des films plus minces sont plus souhaitables car ils peuvent extraire les électrons photogénérés à des vitesses plus élevées.
L'équipe KAUST a développé une technique en deux étapes pour produire des films ultrafins suffisamment lisses pour une collecte efficace des électrons. D'abord, ils ont déposé un revêtement d'oxyde d'indium sur une électrode transparente pour favoriser une croissance de film hautement ordonnée. Un second dépôt d'oxyde de zinc, seulement 20 nanomètres de haut, colmaté tous les défauts poreux et généré une interface extrêmement uniforme.
"Initialement, nous avons eu du mal avec la reproductibilité de l'appareil en raison d'irrégularités de surface, " dit Kirmani. " Des films ultra-minces, cependant, adhèrent mieux au support. En optimisant les concentrations des solutions, nous avons soulagé les contraintes mécaniques pour fabriquer des films très plats."
Des comparaisons avec un dispositif de contrôle ont démontré que la couche ultrafine de transport d'électrons fonctionnait aussi efficacement qu'un film d'oxyde de zinc plus épais. Étonnamment, le mélange d'oxydes de zinc et d'indium dans la nouvelle cellule solaire a prolongé sa durée de vie, stabilité opérationnelle et tolérance aux rayons ultraviolets - des avantages que l'équipe attribue en partie à une transmission optique améliorée à travers l'appareil.
