Semi-conducteurs traités en solution, y compris des matériaux tels que les pérovskites et les points quantiques (c. petites particules de matière dans le régime de taille quantique), sont des substances dont la conductivité se situe entre celle des isolants et celle de la plupart des métaux. Ce type de semi-conducteurs s'est avéré particulièrement prometteur pour le développement de nouveaux dispositifs optoélectroniques performants et à faible coût de fabrication.

Récemment, certaines études ont mis en évidence les avantages de fabriquer des semi-conducteurs en combinant des points quantiques colloïdaux (CQD), des nanoparticules capables de récolter des photons infrarouges, et des chromophores organiques, parties d'une molécule qui absorbent les photons de la lumière visible et donnent de la couleur à la molécule. Néanmoins, jusque là, Le photovoltaïque hybride basé sur les CQD et les chromophores n'a atteint que des rendements de conversion de puissance (PCE) inférieurs à 10 % en raison d'une inadéquation chimique entre les différents composants et des défis liés à la collecte des charges.

Des chercheurs de l'Université de Toronto et du KAIST en Corée du Sud ont récemment développé une architecture hybride qui surmonte ces limitations en introduisant de petites molécules dans une structure empilée CQD/organique. Les cellules solaires hybrides qu'ils ont créées, présenté dans un article publié dans Énergie naturelle , obtenu des PCE remarquables qui sont conservés même après de longues périodes de fonctionnement continu.

"Le premier défi de cette étude était de combiner les avantages de la large bande photo-absorbante des CQD et du coefficient d'absorption fort (mais plus étroit) des molécules organiques pour créer une plateforme photovoltaïque plus performante, " Se Woong Baek, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore.

Les chercheurs se sont inspirés d'une étude menée par une équipe de recherche du Berkeley National Laboratory il y a près de deux décennies, qui a démontré le potentiel de l'utilisation de nanotiges et de polymères semi-conducteurs pour fabriquer des cellules solaires hybrides. Alors que l'équipe de Berkeley Lab et plusieurs autres essayaient de combiner des molécules organiques avec des CQD, Baek et ses collègues ont estimé que cela était difficile à réaliser, car les performances des dispositifs obtenues par leurs architectures hybrides étaient inférieures à celles des semi-conducteurs organiques ou CQD typiques. Ainsi, ils ont entrepris d'étudier plus avant le potentiel des semi-conducteurs CQD/organiques, essayant de surmonter les limitations des architectures précédemment développées.

Pour que les cellules solaires fonctionnent bien, ils devraient être capables de maximiser l'absorption de la lumière et de la convertir efficacement en courant électrique. Les cellules solaires hybrides développées par Baek et ses collègues ont un petit pont moléculaire qui complète l'absorption CQD, qui à son tour crée une cascade excitatrice avec le polymère hôte. Il en résulte un transfert d'énergie plus efficace que celui observé dans d'autres architectures hybrides.

"La structure que nous avons développée peut atteindre une efficacité de récolte de lumière élevée via une couche organique supplémentaire, qui a un fort coefficient d'absorption sur sa face arrière et une absorption primaire large bande par CQD près de sa face avant, " a expliqué Baek. " Le plus grand avantage des cellules solaires résultantes est qu'elles nous permettent de programmer la photo-réponse de CQD en la redimensionnant et en la combinant avec des molécules organiques appropriées. "

La structure unique des cellules solaires développées par Baek et ses collègues permet de plus grands degrés de liberté dans la programmation de leurs fonctions par rapport aux autres types de cellules solaires hybrides. En outre, il permet aux cellules solaires de maintenir un bon rendement sur de plus longues périodes de fonctionnement continu.

"De nombreuses études précédentes ont rapporté une absorbance large et élevée grâce à une combinaison de CQD et de polymères, mais leur performance était moins efficace en raison de la faible efficacité d'extraction de charge, " dit Baek. " En introduisant le troisième composant, un petit pont moléculaire, en hétérostructure hybride CQD/polymère, nous avons révélé un mécanisme sous-jacent qui facilite l'extraction des charges ainsi que l'absorption, améliorant ainsi les PCE.

À l'avenir, ces cellules solaires pourraient être utilisées pour fabriquer des panneaux photovoltaïques utilisant à la fois des points quantiques et des chromophores, mais qui atteignent des rendements supérieurs à ceux observés dans les architectures hybrides précédemment développées. Jusque là, la structure organique CQD qu'ils ont proposée a une bande d'absorption jusqu'à 1100 nanomètres. Dans leurs prochaines études, ils souhaitent ainsi adapter la structure ou développer des architectures hybrides alternatives pour atteindre des bandes d'absorption plus larges.

"Finalement, cette structure pourrait être combinée avec des cellules solaires à pérovskite à bande interdite élevée, par exemple, en concevant une plate-forme de cellule arrière comme une structure en tandem pouvant renforcer l'absorption de la bande proche infrarouge, où la pérovskite n'absorbe pas, " dit Baek. " Théoriquement, une efficacité de 15 pour cent peut être ajoutée à la cellule solaire pérovskite lorsque nous combinons notre structure hybride en tant que cellule arrière de la structure en tandem. »

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