Ces dernières années, il y a eu un grand intérêt pour l'utilisation de minuscules particules appelées points quantiques pour produire à faible coût, facile à fabriquer, cellules photovoltaïques stables. Mais, jusque là, la création de telles cellules a été limitée par le fait qu'en pratique, les points quantiques ne sont pas aussi bons pour conduire une charge électrique qu'ils le sont en théorie.

Quelque chose dans la structure physique de ces cellules semble piéger leurs porteurs de charge électrique (appelés électrons et trous), mais les chercheurs ont eu du mal à comprendre exactement quoi. Maintenant, pour le type de points quantiques le plus répandu, composé de composés appelés chalcogénures métalliques, des chercheurs du MIT ont peut-être trouvé la clé :le facteur limitant semble être les rapports décalés des deux composants de base qui composent les points.

Les nouvelles découvertes - par Jeffrey Grossman, le professeur agrégé Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique, Donghun Kim, étudiant diplômé en sciences et génie des matériaux, et deux autres chercheurs - ont été rapportés ce mois-ci dans le journal Lettres d'examen physique .

En grandes quantités de sulfure de plomb, le matériau utilisé pour les points quantiques dans cette étude, le rapport (connu par les chimistes sous le nom de "stoechiométrie") des atomes de plomb aux atomes de soufre est exactement de 1 pour 1. Mais dans les quantités infimes du matériau utilisé pour fabriquer les points quantiques - qui, dans ce cas, étaient d'environ 5 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, à travers - ce rapport peut varier considérablement, un facteur qui n'avait pas été étudié en détail auparavant. Et, les chercheurs ont trouvé, il s'avère que ce rapport est la clé pour déterminer les propriétés électriques du matériau.

Lorsque la stoechiométrie est un parfait 1 à 1, les points quantiques fonctionnent le mieux, fournissant le comportement exact des semi-conducteurs que la théorie prédit. Mais si le rapport est décalé dans les deux sens - un peu plus de plomb ou un peu plus de soufre - le comportement change radicalement, entravant la capacité de la cellule solaire à conduire des charges.

Prendre soin des liens suspendus

Grossman explique que chaque atome à l'intérieur du matériau a des atomes voisins de tous les côtés, donc toutes les liaisons potentielles de cet atome sont utilisées, mais certains atomes de surface n'ont pas de voisins, ainsi leurs liaisons peuvent réagir avec d'autres atomes dans l'environnement. Ces liens manquants, parfois appelées « obligations pendantes », " ont été pensés pour jouer un rôle critique dans les propriétés électroniques d'une boîte quantique.

Par conséquent, le consensus dans le domaine a été que les meilleurs appareils auront ce que l'on appelle une "passivation complète":l'ajout de molécules supplémentaires qui se lient à toutes les liaisons atomiques lâches à la surface du matériau. L'idée était que l'ajout de plus de matériau de passivation (appelé ligands) améliorerait toujours les performances, mais cela n'a pas fonctionné comme les scientifiques l'avaient prévu :parfois, cela améliorait les performances, mais parfois cela aggravait les choses.

"C'était le point de vue traditionnel auquel les gens croyaient, " dit Kim, qui était l'auteur principal de l'article. Mais maintenant, il s'avère que "le nombre de liaisons pendantes du point quantique n'est pas toujours important, car cela n'affecte pas vraiment la densité des états de piège, du moins dans les points à base de plomb et de soufre. si un point donné a déjà un rapport exact de 1 pour 1, l'ajout de ligands aggrave la situation, dit Kim.

La nouvelle recherche résout le mystère de la raison :les simulations informatiques révèlent qu'il existe une quantité optimale de matériau de passivation, une quantité qui neutralise exactement assez de ces liaisons lâches pour contrebalancer tout écart dans la stoechiométrie, rétablir un équilibre efficace de 1 pour 1. Trop ou trop peu de matière passivante, et le déséquilibre persiste, voire augmente, réduire l'efficacité du matériau.

Grand potentiel pour les cellules solaires

Il y a eu "beaucoup d'enthousiasme" au sujet du potentiel des points quantiques dans les applications, y compris les appareils électroniques, éclairage et cellules solaires, dit Grossman. Parmi les autres avantages potentiels, les cellules solaires à points quantiques pourraient être fabriquées dans un processus à basse température, en déposant un matériau à partir d'une solution à température ambiante, plutôt que la haute température, procédés énergivores utilisés pour le photovoltaïque conventionnel. En outre, de tels appareils pourraient être précisément "réglés, " pour obtenir une conversion maximale des longueurs d'onde spécifiques (couleurs) de la lumière en énergie, en ajustant la taille et la forme des particules.

Pour aller au-delà des efficacités obtenues jusqu'à présent avec les cellules solaires à points quantiques, Grossman dit, les chercheurs devaient comprendre pourquoi les charges étaient piégées dans le matériau. "Nous avons trouvé quelque chose de très différent de ce que les gens pensaient être à l'origine du problème, " il dit.

"Nous espérons que cela incitera les expérimentateurs à examiner cela sous un nouvel angle, " il ajoute.

Déterminer comment appliquer ces connaissances, et comment produire des points quantiques avec des rapports élémentaires bien contrôlés, sera "difficile, " Grossman dit, "mais il y a un certain nombre de manières de contrôler la surface."

La découverte a été une agréable surprise, Kim dit, notant que les chercheurs ont observé de manière inattendue l'origine des états de piège alors qu'ils étudiaient la manière dont les traitements de surface affecteraient le matériau. Mais maintenant qu'ils ont trouvé ce facteur clé, il dit, ils savent quel est leur objectif dans la poursuite des recherches :« Les électrons seront heureux lorsque la distribution … sera juste, " il dit.

Giulia Galli, un professeur de physique et de chimie à l'Université de Californie à Davis qui n'était pas lié à cette recherche, dit que c'est "un travail assez créatif et important, " et ajoute que, "Je suis presque sûr que cela stimulera de nouvelles expériences" pour concevoir la stoechiométrie des points quantiques afin de contrôler leurs propriétés.

L'article s'intitule "Impact de la stoechiométrie sur la structure électronique des points quantiques PbS".

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.