Utiliser des particules exotiques appelées points quantiques comme base d'une cellule photovoltaïque n'est pas une idée nouvelle, mais les tentatives pour fabriquer de tels dispositifs n'ont pas encore atteint un rendement suffisamment élevé dans la conversion de la lumière solaire en énergie. Une nouvelle ride ajoutée par une équipe de chercheurs du MIT - l'intégration des points quantiques dans une forêt de nanofils - promet de donner un coup de pouce significatif.

Le photovoltaïque (PV) basé sur de minuscules points quantiques colloïdaux présente plusieurs avantages potentiels par rapport aux autres approches de fabrication de cellules solaires :ils peuvent être fabriqués dans un processus à température ambiante, économiser de l'énergie et éviter les complications associées au traitement à haute température du silicium et d'autres matériaux photovoltaïques. Ils peuvent être fabriqués à partir d'abondants, des matériaux peu coûteux qui ne nécessitent pas de purification poussée, comme le fait le silicium. Et ils peuvent être appliqués à une variété de matériaux de substrat peu coûteux et même flexibles, comme les plastiques légers.

Mais il y a un compromis à faire dans la conception de tels appareils, en raison de deux besoins contradictoires pour un PV efficace :la couche absorbante d'une cellule solaire doit être mince pour permettre aux charges de passer facilement des sites où l'énergie solaire est absorbée vers les fils qui transportent le courant, mais elle doit également être suffisamment épaisse pour absorber efficacement la lumière. L'amélioration des performances dans l'un de ces domaines a tendance à aggraver l'autre, dit Joël Jean, doctorant au Département de génie électrique et informatique (EECS) du MIT.

"Vous voulez un film épais pour absorber la lumière, et vous voulez qu'il soit mince pour faire sortir les charges, " dit-il. " Il y a donc un écart énorme. "

C'est là que l'ajout de nanofils d'oxyde de zinc peut jouer un rôle utile, dit Jean, qui est l'auteur principal d'un article à publier dans la revue Matériaux avancés . L'article est co-écrit par le professeur de chimie Moungi Bawendi, professeur de science et génie des matériaux Silvija Gradečak, professeur EECS Vladimir Bulović, et trois autres étudiants diplômés et un post-doctorant.

Ces nanofils sont suffisamment conducteurs pour extraire facilement les charges, mais suffisamment long pour fournir la profondeur nécessaire à l'absorption de la lumière, dit Jean. L'utilisation d'un processus de croissance ascendant pour faire croître ces nanofils et leur infiltration avec des points quantiques de sulfure de plomb produit une augmentation de 50 % du courant généré par la cellule solaire, et une augmentation de 35 pour cent de l'efficacité globale, dit Jean. Le processus produit un réseau vertical de ces nanofils, qui sont transparents à la lumière visible, entrecoupées de points quantiques.

"Si vous éclairez le long des nanofils, vous bénéficiez de la profondeur, " dit-il. Mais aussi, "vous découplez l'absorption lumineuse et l'extraction des porteurs de charge, puisque les électrons peuvent sauter latéralement sur un nanofil à proximité et être collectés. »

L'un des avantages des PV à base de points quantiques est qu'ils peuvent être réglés pour absorber la lumière sur une gamme de longueurs d'onde beaucoup plus large que les appareils conventionnels, dit Jean. Il s'agit d'une première démonstration d'un principe selon lequel, grâce à une optimisation plus poussée et à une meilleure compréhension physique, pourrait conduire à des pratiques, de nouveaux types d'appareils photovoltaïques bon marché, il dit.

Déjà, les appareils de test ont produit des rendements de près de 5 pour cent, parmi les plus élevées jamais rapportées pour une PV à points quantiques à base d'oxyde de zinc, il dit. Avec le développement ultérieur, Jean dit, il peut être possible d'améliorer l'efficacité globale des appareils au-delà de 10 %, qui est largement acceptée comme l'efficacité minimale pour une cellule solaire commercialement viable. D'autres recherches seront, entre autres, explorer l'utilisation de nanofils plus longs pour fabriquer des films plus épais, et aussi travailler sur un meilleur contrôle de l'espacement des nanofils pour améliorer l'infiltration des points quantiques entre eux.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.