En tant que technologie énergétique à la croissance la plus rapide au monde, l'énergie solaire continue de représenter de plus en plus l'approvisionnement énergétique mondial. Actuellement, la plupart de l'énergie photovoltaïque commerciale provient de matériaux semi-conducteurs en vrac. Mais ces dernières années, les scientifiques ont étudié comment les nanostructures semi-conductrices peuvent augmenter l'efficacité des cellules solaires et le nouveau domaine des combustibles solaires.
Bien qu'il y ait eu une certaine controverse sur à quel point la nanoscience peut améliorer les cellules solaires, un aperçu récent de cette recherche par Arthur Nozik, chercheur au National Renewable Energy Laboratory (NREL) et professeur à l'Université du Colorado, montre que les nanostructures semi-conductrices ont un potentiel important pour convertir l'énergie solaire en électricité.
Dans son aperçu, qui est publié dans un récent numéro de Lettres nano , Nozik a résumé l'état actuel de plusieurs approches pour améliorer le photovoltaïque grâce aux nanosciences. Comme il l'explique, les avantages des nanostructures semi-conductrices découlent du confinement quantique des électrons négatifs et des trous positifs dans de très petites régions de l'espace dans les nanocristaux. Le confinement quantique peut se produire dans un, deux ou trois dimensions; en trois dimensions, les semi-conducteurs sont appelés points quantiques. Dans n'importe quel régime, le confinement quantique produit des effets de quantification, résultant en des propriétés optiques et électroniques uniques.
« Il y a deux principaux avantages théoriques à intégrer des points quantiques dans les cellules solaires et photovoltaïques :une efficacité plus élevée et un coût inférieur, " Nozik a déclaré à PhysOrg.com. « Il existe une possibilité théorique basée sur des calculs thermodynamiques d'augmenter l'efficacité des cellules solaires actuelles d'une quantité très importante de 50 à 100 %. En outre, les points quantiques pourraient réduire le coût en capital de la production de cellules solaires en termes de coût par unité de surface. La combinaison d'un coût par unité de surface plus faible et d'une efficacité de conversion plus élevée réduirait le coût de l'énergie photovoltaïque exprimé en coût par watt de crête. Les cellules au silicium actuelles sont chères (environ trois fois le coût de l'électricité conventionnelle), mais les points quantiques sont basés sur des méthodes de chimie en solution à basse température moins coûteuses, De plus, ils pourraient produire des rendements de conversion plus élevés. Cependant, il reste encore beaucoup de travail à faire avant que les points quantiques ne soient disponibles dans le commerce.
Le principe de base des cellules solaires photovoltaïques est d'absorber les photons du rayonnement solaire incident avec des énergies supérieures à la bande interdite des semi-conducteurs, et utilisez les photons pour créer des électrons libres et des trous (appelés porteurs de charge). Afin d'augmenter l'efficacité du système, il est important de former autant de porteurs de charge que possible à partir des photons absorbés. C'est là que les effets de confinement quantique deviennent très utiles, comme les effets couplent les électrons et les trous photogénérés dans des paires électron-trou liées appelées excitons, et encourager la formation efficace de plus d'un exciton à partir d'un seul photon absorbé. En points quantiques. le processus est appelé génération d'excitons multiples (MEG). Parmi ses avantages, Le MEG est plus efficace et peut se produire avec des photons de faible énergie dans la région visible du spectre solaire par rapport à un processus de multiplication de porteurs de charge dans les semi-conducteurs en vrac (un processus appelé ionisation par impact, qui est généralement limité à la région ultraviolette où les photons solaires sont absents ou rares).
Pour générer plusieurs excitons, le processus MEG doit rivaliser avec le refroidissement rapide des excitons de haute énergie photogénérés initiaux (appelés « excitons chauds »). Les excitons chauds sont créés par l'absorption de photons énergétiques bleus ou proches de l'ultraviolet. Dans les semi-conducteurs en vrac à température ambiante et au-dessus, les électrons et les trous photogénérés sont découplés et existent en tant que porteurs de charge libres (appelés « porteurs chauds »). L'excès d'énergie des excitons chauds ou des porteurs chauds peut rapidement perdre son excès d'énergie cinétique par les interactions électron-phonon et la convertir en chaleur, ce qui représente une perte importante d'efficacité de conversion. Cependant, Nozik note que, malgré quelques polémiques, des études récentes ont montré que le taux de MEG peut être beaucoup plus rapide que le taux de refroidissement des excitons chauds, résultant en une efficacité globale plus élevée de la multiplication des paires électron-trou. Mais malgré les premiers rapports initiaux de rendements quantiques de 200 % dans les cellules solaires photoélectrochimiques à points quantiques, aucun dispositif photovoltaïque à base de points quantiques à ce jour n'a montré une efficacité de conversion de puissance améliorée grâce au MEG.
"Généralement, le but est de produire des systèmes qui ont des rendements proches de la limite théorique, », a déclaré Nozik. « Le rendement théorique est d'environ 45 %, tandis que l'efficacité en laboratoire des cellules solaires à points quantiques actuelles est d'environ 3-5%. C'est un grand écart ; nous devons comprendre ce qui limite l'efficacité de ces nouvelles approches.
Malgré la controverse sur MEG, Nozik conclut que les possibilités des cellules solaires à points quantiques et d'autres nanostructures qui utilisent le confinement quantique semblent prometteuses, bien qu'il reste encore beaucoup de travail à faire. Un problème qui peut aider MEG à atteindre son plein potentiel est de s'assurer que les excitons supplémentaires sont rapidement collectés, car ils se désintègrent dans environ 20-100 picosecondes après la formation. Plus important encore, Nozik souligne que les chercheurs doivent s'efforcer d'atteindre l'efficacité théorique maximale des cellules solaires.
« Il y a un certain degré de controverse sur ces approches de troisième génération car elles sont nouvelles et pas complètement comprises, », a déclaré Nozik. "Autrefois, certains résultats n'ont pas pu être reproduits dans différents laboratoires. Mais maintenant, de plus en plus de personnes ces dernières années reproduisent des résultats positifs. Los Alamos et NREL mesurent ces effets dans un nouveau centre de recherche américain DOE Energy Frontier avec différentes techniques, et obtenir la même réponse. C'est donc un effet réel, un effet positif. Cependant, certaines personnes sont encore sceptiques et pensent que nous n'atteindrons jamais ces valeurs [d'efficacité théorique]. Mais il n'y a aucune raison fondamentale pour laquelle nous ne pouvons pas atteindre ces valeurs. Il faut juste plus de recherche, plus d'effort, et plus de compréhension.
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