Ces images à l'échelle nanométrique de films minces de ferrite de bismuth montrent des réseaux ordonnés de parois de domaine à 71 degrés (à gauche) et de parois de domaine à 109 degrés (à droite). En changeant la direction de polarisation de la ferrite de bismuth, ces parois de domaine donnent lieu à l'effet photovoltaïque. (Image de Seidel, et. Al.)
(PhysOrg.com) -- Les chercheurs du Berkeley Lab ont découvert un nouveau mécanisme par lequel l'effet photovoltaïque peut avoir lieu dans les couches minces semi-conductrices. Cette nouvelle voie vers la production d'énergie illumine l'avenir de la technologie photovoltaïque en surmontant les limitations de tension qui affligent les cellules solaires à semi-conducteurs conventionnelles.
Une nouvelle voie découverte pour la conversion de la lumière du soleil en électricité pourrait éclairer l'avenir de la technologie photovoltaïque. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont découvert un nouveau mécanisme par lequel l'effet photovoltaïque peut avoir lieu dans des couches minces semi-conductrices. Cette nouvelle voie vers la production d'énergie surmonte la limitation de la tension de bande interdite qui continue d'affecter les cellules solaires à semi-conducteurs conventionnelles.
Travailler avec de la ferrite de bismuth, une céramique à base de bismuth, du fer et de l'oxygène multiferroïque - ce qui signifie qu'il présente simultanément des propriétés ferroélectriques et ferromagnétiques - les chercheurs ont découvert que l'effet photovoltaïque peut se produire spontanément à l'échelle nanométrique en raison de la structure cristalline déformée de manière rhomboédrique de la céramique. Par ailleurs, ils ont démontré que l'application d'un champ électrique permet de manipuler cette structure cristalline et ainsi de contrôler les propriétés photovoltaïques.
« Nous sommes ravis de trouver des fonctionnalités inédites à l'échelle nanométrique dans un matériau multiferroïque, " a déclaré Jan Seidel, un physicien qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le département de physique de l'UC Berkeley. « Nous travaillons actuellement au transfert de ce concept vers des appareils liés à la recherche énergétique à plus grande efficacité. »
Seidel est l'un des principaux auteurs d'un article dans la revue Nature Nanotechnologie qui décrit ce travail intitulé, « Tension au-dessus de la bande interdite des dispositifs photovoltaïques ferroélectriques. » Les co-auteurs de cet article avec Seidel étaient Seung-Yeul Yang, Steven Byrnes, Padraic Shafer, Chan Ho Yang, Marta Rossell, Pu Yu, Ying Hao Chu, James Scott, Joël Ager, Lane Martin et Ramamoorthy Ramesh.
Au cœur des cellules solaires à semi-conducteurs conventionnelles se trouve une jonction p-n, l'interface entre une couche semi-conductrice avec une abondance de "trous" chargés positivement, ” et une couche avec une abondance d'électrons chargés négativement. Lorsque les photons du soleil sont absorbés, leur énergie crée des paires électron-trou qui peuvent être séparées au sein d'une "zone d'appauvrissement, ” une région microscopique à la jonction p-n mesurant seulement quelques micromètres de diamètre, puis collecté sous forme d'électricité. Pour que ce processus ait lieu, cependant, les photons doivent pénétrer le matériau jusqu'à la zone d'appauvrissement et leur énergie doit correspondre précisément à l'énergie de la bande interdite électronique du semi-conducteur - l'écart entre ses bandes d'énergie de valence et de conduction où aucun état électronique ne peut exister.
« La tension maximale que les dispositifs photovoltaïques à semi-conducteurs conventionnels peuvent produire est égale à l'énergie de leur bande interdite électronique, ", dit Seidel. "Même pour les cellules dites tandem, dans lequel plusieurs jonctions p-n semi-conductrices sont empilées, les photovoltaïques sont encore limités en raison de la profondeur de pénétration finie de la lumière dans le matériau.
En travaillant via le centre de recherche sur l'énergie solaire Helios de Berkeley Lab, Seidel et ses collaborateurs ont découvert qu'en appliquant de la lumière blanche à la ferrite de bismuth, un matériau à la fois ferroélectrique et antiferromagnétique, ils pourraient générer des tensions photovoltaïques dans des zones submicroscopiques comprises entre un et deux nanomètres de diamètre. Ces tensions photovoltaïques étaient significativement plus élevées que la bande interdite électronique de la ferrite de bismuth.
« L'énergie de la bande interdite de la ferrite de bismuth équivaut à 2,7 volts. D'après nos mesures, nous savons qu'avec notre mécanisme, nous pouvons obtenir environ 16 volts sur une distance de 200 microns. Par ailleurs, cette tension est en principe linéaire évolutive, ce qui signifie que de plus grandes distances devraient conduire à des tensions plus élevées.
Derrière ce nouveau mécanisme de génération de photovoltaïque se cachent des murs de domaines - des feuilles bidimensionnelles qui traversent un multiferroïque et servent de zones de transition, séparer des régions de propriétés ferromagnétiques ou ferroélectriques différentes. Dans leur étude, Seidel et ses collaborateurs ont découvert que ces parois de domaine peuvent servir le même objectif de séparation électron-trou que les zones d'appauvrissement uniquement avec des avantages distincts.
« L'échelle beaucoup plus petite de ces murs de domaine permet à un grand nombre d'entre eux d'être empilés latéralement (de côté) et d'être toujours atteints par la lumière, ", dit Seidel. "Cela permet à son tour d'augmenter les valeurs de photovoltaïque bien au-dessus de la bande interdite électronique du matériau."
L'effet photovoltaïque se produit parce qu'au niveau des parois du domaine, la direction de polarisation de la ferrite de bismuth change, ce qui conduit à des sauts dans le potentiel électrostatique. Par des traitements de recuit du substrat sur lequel la ferrite de bismuth est cultivée, les cristaux rhomboédriques du matériau peuvent être induits pour former des parois de domaine qui changent la direction de la polarisation du champ électrique de 71, 109 ou 180 degrés. Seidel et ses collaborateurs ont mesuré les tensions photovoltaïques créées par les murs de domaine à 71 et 109 degrés.
"Les parois du domaine à 71 degrés ont montré un alignement de polarisation dans le plan unidirectionnel et ont produit une série alignée d'étapes de tension potentielles, ", dit Seidel. « Bien que le pas potentiel dans le domaine de 109 degrés soit plus élevé que dans le domaine de 71 degrés, il a montré deux variantes de la polarisation dans le plan qui ont fonctionné dans des directions opposées.
Seidel et ses collègues ont également pu utiliser une impulsion électrique de 200 volts pour inverser la polarité de l'effet photovoltaïque ou l'éteindre complètement. Une telle contrôlabilité de l'effet photovoltaïque n'a jamais été signalée dans les systèmes photovoltaïques conventionnels, et il ouvre la voie à de nouvelles applications en nano-optique et en nano-électronique.
« Bien que nous n'ayons pas encore fait la démonstration de ces nouveaux dispositifs et applications possibles, nous pensons que nos recherches stimuleront des concepts et des réflexions qui s'appuient sur cette nouvelle orientation de l'effet photovoltaïque, ", dit Seidel.
