(Phys.org)—Les scientifiques ont découvert qu'une cellule solaire composée de deux ou trois couches de points quantiques, avec chaque couche accordée à une partie différente du spectre solaire, a un rendement supérieur de 40 à 60 % à la somme des rendements de cellules solaires séparées, chacune constituée d'une des couches individuelles. L'effet synergique de l'architecture en couches pourrait conduire à de nouvelles façons de concevoir des cellules solaires à points quantiques avec des rendements élevés et une absorption à large spectre.

Les chercheurs qui ont conçu et fabriqué les nouvelles cellules solaires, Pralay K. Santra et le professeur Prashant V. Kamat à l'Université de Notre Dame en Indiana, voulait tester le concept précédemment proposé de cellule solaire arc-en-ciel, qui peut récolter des photons de toutes les "couleurs" ou longueurs d'onde du spectre visible.

Afin de fabriquer une cellule solaire arc-en-ciel, les scientifiques doivent incorporer des composants de collecte de lumière avec diverses propriétés pour capturer différentes parties du spectre. Une façon de le faire est d'utiliser des points quantiques, qui peut être réglé pour capturer des longueurs d'onde spécifiques de la lumière. La manière typique de régler la bande interdite d'un point quantique pour capturer une longueur d'onde particulière de la lumière est de contrôler la taille du point pendant la synthèse.

Ici, les chercheurs ont choisi une autre façon de régler les bandes interdites des points :en contrôlant leur composition. Tous les points quantiques qu'ils ont utilisés étaient à peu près de la même taille (4,5 nm) et faits de cadmium, sélénium, et le soufre, mais la quantité de sélénium dans chaque point variait. Les points quantiques contenant les plus petites quantités de sélénium avaient les bandes interdites les plus importantes et capturaient les longueurs d'onde de lumière les plus courtes. Sur la base de cette relation, les chercheurs ont synthétisé trois sortes de points quantiques :verts, qui avait la plus grande bande interdite ; Orange, qui avait une bande interdite intermédiaire; Et rouge, qui avait la plus petite bande interdite.

Après avoir synthétisé les points quantiques, les chercheurs les ont déposés sur un TiO 2 filmer une couche à la fois, en commençant par les points verts, suivi de l'orange, et enfin rouge. Le film à couches tandem a ensuite été utilisé comme photoanode, qui recueille la lumière entrante dans une cellule solaire.

"Au meilleur de nos connaissances, il s'agit de la première approche systématique consistant à déposer deux ou plusieurs couches de points pour récolter séquentiellement des photons dans des cellules solaires à points quantiques, " a dit Kamat Phys.org . "Le réglage des bandes interdites des points quantiques en faisant varier la composition est une idée relativement nouvelle et est explorée par quelques groupes."

Lors de l'expérimentation de différentes versions de cette nouvelle cellule solaire à couches en tandem, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient obtenir les meilleures performances avec seulement deux couches :une couche de points orange suivie d'une couche de points rouges. Cette cellule composite a montré une efficacité de 3,2%, tandis qu'une cellule qui comprenait les points verts avait une efficacité légèrement inférieure de 3,0%

L'effet synergique que les scientifiques ont découvert dans ces cellules est encore plus intéressant. L'efficacité observée de la cellule orange/rouge de 3,2 % est de 41 % supérieure à l'efficacité attendue de 2,27 %, qui est calculé en additionnant les efficacités de deux cellules distinctes, un avec l'orange et l'autre avec des points rouges. Et l'efficacité observée d'une cellule avec les trois couleurs de points, 3,0%, est 60 % plus élevé que l'efficacité additive estimée de 1,87 %.

Bien que les scientifiques ne sachent pas exactement ce qui cause les effets synergiques, ils ont deux idées. Une possibilité est que les énergies de bande des points s'alignent de manière à permettre une cascade de transfert d'électrons des points à large bande interdite aux points à plus petite bande interdite, où les électrons s'accumulent. L'autre idée implique le transfert d'énergie des points à large bande interdite vers les points à plus petite bande interdite, où l'excitation est concentrée. Dans les deux scénarios, les électrons ou excitations améliorent le processus de transfert d'électrons, ce qui conduit à une production d'énergie accrue et à des rendements plus élevés. Les scientifiques soupçonnent que ces deux voies peuvent fonctionner ensemble pour améliorer les performances.

« L'importance des cellules solaires à points quantiques en couches en tandem n'a pas encore été pleinement réalisée, " a déclaré Kamat. " C'est notre premier effort et il ouvre de nouvelles voies pour concevoir des cellules solaires à plus haut rendement. La structure en tandem permet une absorption sélective de la lumière, maximisant ainsi l'efficacité de la conversion de l'énergie lumineuse. Les pertes d'énergie résultant de la thermalisation des électrons excités peuvent être grandement minimisées par cette approche simple."

En s'appuyant sur ces idées, les scientifiques espèrent encore améliorer les performances des cellules solaires à l'avenir.

"Nous avons encore besoin d'améliorations supplémentaires dans l'efficacité de la conversion de puissance, " a déclaré Kamat. " Nous avons maintenant lancé une approche à plusieurs volets pour améliorer l'efficacité des cellules solaires à points quantiques en tandem en incorporant des points quantiques de différents matériaux (sulfure de cuivre et d'indium, séléniure de cadmium et séléniure de plomb) et étendre la photoréponse plus loin dans l'infrarouge. Des mesures spectroscopiques sont en cours pour établir les effets synergiques dans les cellules solaires à points quantiques en tandem. »

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