(Phys.org) -- Les chercheurs qui créent de l'électricité grâce au photovoltaïque veulent convertir autant de longueurs d'onde du soleil que possible pour obtenir une efficacité maximale. Autrement, ils ne mangent qu'une petite partie d'un canard abattu :perdre du temps et de l'argent en n'utilisant qu'une infime partie des énergies entrantes du soleil.

Pour cette raison, ils voient le nitrure d'indium et de gallium comme un futur matériau précieux pour les systèmes photovoltaïques. La modification de la concentration d'indium permet aux chercheurs d'ajuster la réponse du matériau afin qu'il collecte l'énergie solaire à partir d'une variété de longueurs d'onde. Plus il y a de variantes conçues dans le système, plus le spectre solaire peut être absorbé, conduisant à une efficacité accrue des cellules solaires. Silicium, la norme actuelle de l'industrie photovoltaïque, est limité dans la gamme de longueurs d'onde qu'il peut « voir » et absorber.

Mais il y a un problème :le nitrure d'indium gallium, faisant partie d'une famille de matériaux appelés nitrures III, est généralement cultivé sur des films minces de nitrure de gallium. Parce que les couches atomiques de nitrure de gallium ont des espacements de réseau cristallin différents des couches atomiques de nitrure de gallium d'indium, le décalage conduit à une contrainte structurelle qui limite à la fois l'épaisseur de la couche et le pourcentage d'indium qui peut être ajouté. Ainsi, augmenter le pourcentage d'indium ajouté élargit le spectre solaire pouvant être capté, mais réduit la capacité du matériau à tolérer la contrainte.

Les scientifiques de Sandia National Laboratories Jonathan Wierer Jr. et George Wang ont rapporté dans la revue Nanotechnology que si le mélange d'indium est cultivé sur une phalange de nanofils plutôt que sur une surface plane, les faibles surfaces des nanofils permettent à la couche d'enveloppe d'indium de se « détendre » partiellement le long de chaque fil, soulager la tension. Cet assouplissement a permis à l'équipe de créer une cellule solaire à nanofils avec des pourcentages d'indium d'environ 33 %, plus élevé que toute autre tentative signalée de création de cellules solaires au nitrure III.

Cette première tentative a également abaissé l'énergie de base d'absorption de 2,4 eV à 2,1 eV, la plus basse de toutes les cellules solaires au nitrure III à ce jour, et a rendu une plus large gamme de longueurs d'onde disponibles pour la conversion de puissance. Les rendements de conversion de puissance étaient faibles - seulement 0,3 % par rapport à une cellule commerciale standard qui bourdonne à environ 15 % - mais la démonstration a eu lieu sur des modèles de réseau de nanofils imparfaits. Les raffinements devraient conduire à des rendements plus élevés et des énergies encore plus faibles.

Plusieurs techniques uniques ont été utilisées pour créer la cellule solaire à matrice de nanofils III-nitrure. Un processus de fabrication descendant a été utilisé pour créer le réseau de nanofils en masquant une couche de nitrure de gallium (GaN) avec un masque de silice colloïdale, suivi d'une gravure sèche et humide. Le réseau résultant se composait de nanofils avec des parois latérales verticales et de hauteur uniforme.

Prochain, des couches d'enveloppe contenant le pourcentage d'indium le plus élevé de nitrure d'indium et de gallium (InGaN) ont été formées sur le gabarit de nanofil de GaN via un dépôt chimique en phase vapeur métal-organique. Dernièrement, In0.02Ga0.98N a été cultivé, de manière à provoquer la coalescence des nanofils. Ce processus a produit une couche de canopée au sommet, facilitant un traitement planaire simple et rendant la technologie manufacturable.

Les résultats, dit Wierer, bien que modeste, représentent une voie prometteuse pour la recherche sur les cellules solaires au nitrure III. La nano-architecture permet non seulement une proportion d'indium plus élevée dans les couches d'InGaN, mais également une absorption accrue via la diffusion de la lumière dans la couche de canopée à facettes d'InGaN, ainsi que des vides d'air qui guident la lumière dans le réseau de nanofils.