Une avancée récente des chercheurs de l'Arizona State University dans le développement de nanofils pourrait conduire à des cellules photovoltaïques plus efficaces pour générer de l'énergie à partir de la lumière du soleil, et à de meilleures diodes électroluminescentes (DEL) qui pourraient remplacer les ampoules à incandescence moins économes en énergie.

Les ingénieurs électriciens Cun-Zheng Ning et Alian Pan travaillent à l'amélioration des nanofils semi-conducteurs en alliage quaternaire.

Les nanofils mesurent des dizaines de nanomètres de diamètre et des dizaines de microns de longueur. Les alliages quaternaires sont constitués de semi-conducteurs à quatre éléments, souvent fabriqué en alliant deux ou plusieurs semi-conducteurs composés.

Les semi-conducteurs sont la base matérielle de technologies telles que les cellules solaires, LED haute efficacité pour l'éclairage, et pour les détecteurs visibles et infrarouges.

L'un des paramètres les plus critiques des semi-conducteurs qui déterminent la faisabilité de ces technologies est la bande interdite. La bande interdite d'un semi-conducteur détermine, par exemple, si une longueur d'onde donnée de la lumière du soleil est absorbée ou laissée inchangée par le semi-conducteur dans une cellule solaire.

La bande interdite détermine également la couleur de la lumière émise par une LED. Pour rendre les cellules solaires plus efficaces, il est nécessaire d'augmenter la gamme des bandes interdites.

Idéalement, l'efficacité la plus élevée des cellules solaires est obtenue en ayant une large gamme de bandes interdites qui correspond à l'ensemble du spectre solaire, explique Ning, professeur à l'École d'électricité, Génie informatique et énergétique, une partie des écoles d'ingénierie Ira A. Fulton de l'ASU.

Dans les applications d'éclairage LED, il dit, plus de bandes interdites disponibles signifient que plus de couleurs peuvent être émises, offrant plus de flexibilité dans l'ingénierie des couleurs ou le rendu des couleurs de la lumière.

Par exemple, différentes proportions de rouge, les couleurs vertes et bleues se mélangeraient avec différentes couleurs blanches. Plus de flexibilité permettrait d'ajuster la couleur blanche pour s'adapter à diverses situations, ou préférences individuelles.

De la même manière, Ning dit, la détection de différentes couleurs nécessite des semi-conducteurs de différentes bandes interdites. Plus il y a de bandes interdites disponibles, plus on peut acquérir d'informations sur un objet à détecter. Ainsi, toutes ces applications d'éclairage peuvent être améliorées en ayant des semi-conducteurs avec une large gamme de bandes interdites.

Les chercheurs disent que l'obstacle est que chaque semi-conducteur artificiel ou naturel n'a qu'une bande interdite spécifique.

Un moyen standard d'élargir la gamme de bandes interdites consiste à allier deux ou plusieurs semi-conducteurs. En ajustant la proportion relative de deux semi-conducteurs dans un alliage, il est possible de développer de nouvelles bandes interdites entre celles des deux semi-conducteurs.

Mais accomplir cela nécessite une condition appelée correspondance de constante de réseau, qui nécessite des espaces inter-atomiques similaires entre deux semi-conducteurs pour croître ensemble.

"C'est pourquoi nous ne pouvons pas développer des alliages de compositions arbitraires pour obtenir des bandes interdites arbitraires, " dit Ning. " Ce manque de bandes interdites disponibles est l'une des raisons pour lesquelles l'efficacité actuelle des cellules solaires est faible, et pourquoi nous n'avons pas de couleurs d'éclairage LED qui peuvent être ajustées pour diverses situations."

Lors de tentatives récentes de croissance de nanofils semi-conducteurs avec des bandes interdites "presque" arbitraires, l'équipe de recherche dirigée par Ning et Pan, un enseignant-chercheur adjoint, ont utilisé une nouvelle approche pour produire une gamme extrêmement large de bandes interdites.

Ils ont allié deux semi-conducteurs, du sulfure de zinc (ZnS) et du séléniure de cadmium (CdSe) pour produire l'alliage semi-conducteur quaternaire ZnCdSSe, qui a produit des compositions variables en continu d'éléments sur un seul substrat (un matériau sur lequel un circuit est formé ou fabriqué).

Ning dit que c'est la première fois qu'un semi-conducteur quaternaire est produit sous la forme d'un nanofil ou d'une nanoparticule.

En contrôlant la variation spatiale de divers éléments et la température d'un substrat (dite méthode du double gradient), l'équipe a produit des émissions lumineuses allant de 350 à 720 nanomètres sur un seul substrat de quelques centimètres seulement.

La couleur répartie sur le substrat peut être contrôlée dans une large mesure, et Ning dit qu'il pense que cette méthode à double gradient peut être appliquée plus généralement pour produire d'autres alliages semi-conducteurs ou étendre la plage de bande interdite de ces alliages.

Explorer l'utilisation de matériaux d'alliage quaternaire pour rendre les cellules photovoltaïques plus efficaces, son équipe a développé une conception multicellulaire latérale associée à un concentrateur dispersif.

Le concept de concentration dispersive, ou concentration spectrale fractionnée, a été exploré pendant des décennies. Mais l'application typique utilise une cellule solaire séparée pour chaque bande de longueur d'onde.

Avec les nouveaux matériaux, Ning espère construire une super-cellule latérale monolithique contenant plusieurs sous-cellules en parallèle, chacun optimisé pour une bande de longueur d'onde donnée. Les multiples sous-cellules peuvent absorber tout le spectre solaire. De telles cellules solaires pourront atteindre un rendement extrêmement élevé avec un faible coût de fabrication. L'équipe travaille à la fois sur la conception et la fabrication de telles cellules solaires.

De la même manière, les nouveaux nanofils d'alliage quaternaire avec une grande étendue de longueur d'onde peuvent être explorés pour des applications de lumière colorimétrique.

Les chercheurs ont démontré que le contrôle de la couleur par le contrôle de la composition de l'alliage peut être étendu à deux dimensions spatiales, un pas de plus vers la conception couleur pour la génération directe de lumière blanche ou pour les écrans couleur.