Empêcher la recombinaison des charges gratuites produites lorsque la lumière frappe une cellule solaire est l'un des principaux objectifs des ingénieurs qui tentent d'extraire le maximum d'efficacité de conversion d'énergie de leurs appareils. Une façon d'y parvenir est de construire dans la cellule une "hétérojonction" entre les semi-conducteurs de type positif (p) et négatif (n), qui permet aux charges positives et négatives induites par la lumière de s'échapper de la cellule en se déplaçant dans des directions opposées à l'interface d'hétérojonction. Mingyong Han de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR et ses collègues1 ont maintenant découvert un moyen de produire des hétérojonctions nanométriques de haute qualité, ouvrant la voie à des appareils photovoltaïques moins chers et plus efficaces.

Les cristaux semi-conducteurs à l'échelle nanométrique offrent une surface accrue pour l'absorption de la lumière et sont également moins chers à produire que les structures cellulaires à motifs lithographiques classiques. Cependant, il a été extrêmement difficile de former des hétérojonctions de haute qualité entre les semi-conducteurs de type n et p de manière à obtenir le contact intercristallin intime nécessaire pour améliorer les performances du dispositif.

La résolution de ce problème nécessite une technique capable de lier chimiquement les deux semi-conducteurs. Des études antérieures ont produit des nanocristaux binaires avec une structure sphérique « cœur-coquille ». Malheureusement, l'hétérojonction basée sur ces nanocristaux a une faible efficacité de conversion d'énergie car la lumière a du mal à atteindre le noyau interne. Han et ses collègues ont surmonté ce problème en adoptant une voie de synthèse différente.

D'abord, les chercheurs ont utilisé un mélange de tensioactifs dans des conditions thermiques chaudes pour produire du sulfure de cuivre (I) (CuxS), un semi-conducteur de type p bien connu, dans des disques hexagonaux de forme distinctive d'environ 40 nanomètres de large et 15 nanomètres d'épaisseur. Les facettes bien définies de ces nouveaux matériaux ont permis aux chercheurs de nucléer la cristallisation du sulfure de cadmium de type n (CdS) sur les bords extérieurs des cristaux.

Prochain, par un processus connu sous le nom d'échange de cations, les chercheurs ont persuadé les cristaux de type n de croître vers l'intérieur, convertir efficacement chimiquement une partie des disques CuxS en CdS. « Cette méthode aboutit à des nano-hétérostructures avec la même morphologie que le matériau d'origine, ", dit Han. En optimisant soigneusement les conditions de réaction, les chercheurs ont transformé le nanodisque hexagonal en un disque parfaitement symétrique, hétérojonction côte à côte. Des métaux de zinc ont également été incorporés dans l'interface pour affiner davantage ses performances électriques.

Han note que l'hétérostructure CuxS-CdS est prometteuse pour la technologie des cellules solaires en raison de sa surface à double accès et d'un alignement de bandes d'énergie qui entraîne une forte séparation des charges. L'équipe prévoit également de synthétiser une large gamme de nouvelles paires de semi-conducteurs avec cette technique à un seul pot, profitant des propriétés extraordinaires de cristallisation du système.