Un rapport, publié dans l'édition du 14 mars du Journal de la chimie des matériaux , a annoncé la fabrication et les tests réussis d'un nouveau type de cellule solaire utilisant une structure de nanofil inorganique à noyau/enveloppe.

Des réseaux de nanofils noyau/coque (décrits comme étant des « câbles coaxiaux quantiques ») avaient déjà été théorisés comme une structure potentielle qui, tout en étant composé de matériaux inorganiques à large bande interdite chimiquement plus stables, devrait également être capable d'absorber la large gamme de longueurs d'onde présentes dans la lumière du soleil. Les semi-conducteurs à large bande interdite sont généralement considérés comme inefficaces pour absorber par eux-mêmes la plupart des longueurs d'onde disponibles dans le rayonnement solaire. Par exemple, l'oxyde de zinc à haute bande interdite (ZnO) est transparent dans le visible mais absorbant dans l'ultraviolet, et est donc largement utilisé dans les écrans solaires, mais n'a pas été considéré comme utile dans les cellules solaires.

Dans le rapport, une équipe de chercheurs de l'Université de Xiamen en Chine et de l'Université de Caroline du Nord à Charlotte décrivent avec succès la création de nanofils d'oxyde de zinc (ZnO) avec un revêtement de séléniure de zinc (ZnSe) pour former une structure matérielle connue sous le nom d'hétérojonction de type II qui a un bande interdite inférieure à celle de l'un ou l'autre des matériaux d'origine. L'équipe a signalé que des réseaux de nanofils structurés étaient par la suite capables d'absorber la lumière des longueurs d'onde visibles et proches de l'infrarouge, et montrer l'utilisation potentielle de matériaux à large bande interdite pour un nouveau type de cellule solaire abordable et durable.

« Les matériaux à bande interdite élevée ont tendance à être chimiquement plus stables que les semi-conducteurs à bande interdite inférieure que nous avons actuellement, " a noté le membre de l'équipe Yong Zhang, un professeur distingué Bissell au Département de génie électrique et informatique et au Centre de production et d'infrastructure énergétiques (EPIC) de l'Université de Caroline du Nord à Charlotte.

"Et ces structures de nanofils peuvent être fabriquées à l'aide d'une technologie à très faible coût, utiliser une technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour faire croître le réseau, " ajouta-t-il. " En comparaison, les cellules solaires utilisant du silicium et de l'arséniure de gallium nécessitent des techniques de production plus coûteuses."

Basé sur un concept publié dans Nano Letters en 2007 par Zhang et ses collaborateurs Lin-Wang Wang (Lawrence Berkeley National Laboratory) et Angelo Mascarenhas (National Renewable Energy Laboratory), le réseau a été fabriqué par les collaborateurs actuels de Zhang, Zhiming Wu, Jinjian Zheng, Xiangan Lin, Xiaohang Chen, Binwang Huang, Huqiong Wang, Kai Huang, Shuping Li et Junyong Kang du Fujian Key Laboratory of Semiconductor Materials and Applications du département de physique de l'université de Xiamen, Chine.

Les tentatives passées d'utiliser des matériaux à bande interdite élevée n'utilisaient pas réellement les semi-conducteurs pour absorber la lumière, mais impliquaient plutôt de les revêtir de molécules organiques (colorants) qui réalisaient la photoabsorption et transmettaient simplement des électrons au matériau semi-conducteur. En revanche, les nanofils à hétérojonction de l'équipe absorbent la lumière directement et conduisent efficacement un courant à travers des fils "coaxiaux" de taille nanométrique, qui séparent les charges en plaçant les électrons excités dans les noyaux d'oxyde de zinc des fils et les "trous" dans les coquilles de séléniure de zinc.

"En réalisant une architecture d'hétérojonction spéciale à l'échelle nanométrique, nous fabriquons également des nanofils coaxiaux qui sont bons pour la conductivité, " a déclaré Zhang. " Même si vous avez une bonne absorption de la lumière et que vous créez des paires électron-trou, vous devez pouvoir les sortir du circuit pour obtenir du courant, nous devons donc avoir une bonne conductivité. Ces nanofils coaxiaux sont similaires au câble coaxial en génie électrique. Donc, fondamentalement, nous avons deux canaux conducteurs – l'électron allant dans un sens dans le noyau et le trou dans l'autre sens dans la coque. »

Les nanofils ont été créés en faisant d'abord croître un réseau de "fils" de cristaux d'oxyde de zinc à six faces à partir d'un film mince du même matériau en utilisant le dépôt en phase vapeur. La technique a créé une forêt de cristaux d'oxyde de zinc en forme d'aiguille aux côtés lisses avec des diamètres uniformes (40 à 80 nanomètres) sur toute leur longueur (environ 1,4 micromètre). Une enveloppe de séléniure de zinc un peu plus rugueuse a ensuite été déposée pour enrober tous les fils. Finalement, un film d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) a été lié au revêtement de séléniure de zinc, et une sonde d'indium a été connectée au film d'oxyde de zinc, créer des contacts pour tout courant généré par la cellule.

"Nous avons mesuré l'appareil et montré que le seuil de photoréponse était de 1,6 eV, " Zhang a dit, notant que la cellule était ainsi efficace pour absorber les longueurs d'onde des ondes lumineuses de l'ultraviolet au proche infrarouge, une plage qui couvre la majeure partie du rayonnement solaire atteignant la surface de la Terre.

Bien que l'utilisation des nanofils pour absorber l'énergie lumineuse soit une innovation importante, peut-être encore plus important est le succès des chercheurs dans l'utilisation de matériaux semi-conducteurs inorganiques stables à bande interdite élevée pour un dispositif d'énergie solaire peu coûteux mais efficace.

"C'est un nouveau mécanisme, étant donné que ces matériaux n'étaient auparavant pas considérés comme directement utiles pour les cellules solaires, " a déclaré Zhang. Il a souligné que les applications pour le concept ne s'arrêtent pas là mais ouvrent la porte à l'examen d'un plus grand nombre de matériaux semi-conducteurs à haute bande interdite avec des propriétés matérielles très souhaitables pour diverses applications liées à l'énergie solaire, comme la génération d'hydrogène par fractionnement photoélectrochimique de l'eau.

"L'utilisation élargie des hétérostructures nanométriques de type II étend également leur utilisation à d'autres applications, tels que les photodétecteurs - détecteur IR en particulier, " il a noté.