(Phys.org) —Dans le photovoltaïque, il y a généralement un compromis en termes d'épaisseur de semi-conducteur, avec des semi-conducteurs plus épais offrant une meilleure absorption des photons et des semi-conducteurs plus fins offrant une efficacité d'extraction des porteurs de charge plus élevée. Dans les années récentes, les scientifiques ont commencé à étudier les cellules solaires à nanofils semi-conducteurs, qui s'attaquent à ce compromis grâce à des résonances dépendantes de la morphologie qui améliorent considérablement l'absorption par rapport à un film plan.

Maintenant, quelque peu contre-intuitif, les scientifiques ont théoriquement découvert que les films semi-conducteurs minces enroulés autour de nanofils métalliques ont des propriétés d'absorption de la lumière nettement meilleures que les nanofils semi-conducteurs solides, malgré le fait qu'ils utilisent moins de matériaux semi-conducteurs. À la fois, le noyau métallique agit comme un contact pour extraire efficacement les porteurs de charge. En affrontant le compromis d'épaisseur des semi-conducteurs et en offrant des performances exceptionnelles, les nanostructures pourraient devenir des blocs de construction idéaux pour des applications de combustibles photovoltaïques et solaires bon marché.

Un article sur les nouveaux appareils de Sander A. Mann et Erik C. Garnett au Center for Nanophotonics du FOM Institute AMOLF à Amsterdam, Les Pays-Bas, sera publié dans un prochain numéro de Lettres nano .

"La plus grande importance pour notre travail est que nous fournissons une conception de blocs de construction de nanofils qui intègre à la fois d'excellentes propriétés de piégeage de la lumière et un contact d'électrode métallique local (pour l'extraction de courant), " Garnett a dit Phys.org . « Les réseaux de nanofils d'argent ont déjà été utilisés comme électrodes transparentes hautes performances et nous prévoyons qu'en les recouvrant de fines coques semi-conductrices, nous serons en mesure de fabriquer des cellules solaires à haut rendement en utilisant des matériaux bon marché. Il a maintenant été observé dans un certain nombre d'articles que la nanostructuration d'un matériau peut augmenter l'absorption de la lumière même en utilisant moins de matériau semi-conducteur. cet article passe à l'étape suivante et commence à réfléchir à la façon de concevoir de telles structures avec des contacts électriques intégrés."

L'un des plus grands avantages de la conception est qu'elle utilise des films semi-conducteurs très minces tout en offrant une très bonne absorption de la lumière. Comme mentionné, des couches semi-conductrices épaisses sont nécessaires pour une bonne absorption de la lumière, mais un semi-conducteur de haute qualité est très coûteux. Cette nouvelle géométrie core-shell ouvre la voie à l'utilisation bon marché, abondant, et des semi-conducteurs respectueux de l'environnement qui étaient auparavant de trop mauvaise qualité pour une bonne extraction de charge.

Dans les objets semi-conducteurs plus petits que la longueur d'onde de la lumière, comme c'est le cas pour la plupart des nanofils à usage photovoltaïque, les propriétés optiques sont déterminées principalement par les résonances. Ces résonances améliorent le plus l'absorption lorsqu'elles sont couplées de manière critique :les taux de perte dus à l'absorption dans le semi-conducteur et dus aux fuites radiatives (lumière s'échappant du nanofil avant d'être absorbée) sont égaux. C'est souvent le cas à proximité de la bande interdite du matériau, où l'absorption est faible, ce qui conduit au résultat très contre-intuitif que l'absorption dans le nanofil augmente en fait lorsque le coefficient d'absorption diminue.

Comme l'expliquent les scientifiques, dans la géométrie cœur-coquille, l'absorption de lumière extrême résulte de l'augmentation du nombre et de la force de ces résonances. Alors que dans les nanofils horizontaux, les résonances sont toujours spectralement séparées (à différentes longueurs d'onde), dans la géométrie noyau-coque, ils peuvent se chevaucher. Par ailleurs, les nanofils semi-conducteurs solides horizontaux sont très sensibles à la polarisation, mais cela n'est pas souhaitable car la lumière du soleil n'est pas polarisée. La géométrie cœur-coquille se débarrasse de cette dépendance de polarisation en alignant les résonances dans les deux polarisations simultanément.

Globalement, en démontrant qu'une excellente absorption de la lumière peut être obtenue dans des couches semi-conductrices très minces, cette nanostructure hybride offre une nouvelle voie passionnante vers la réalisation de technologies solaires bon marché basées sur des semi-conducteurs abondants et respectueux de l'environnement. Les chercheurs prévoient de fabriquer prochainement des prototypes des appareils.

"Nos plans immédiats sont de fabriquer à la fois des cellules solaires à nanofil et à matrice basées sur ces blocs de construction noyau-coque pour vérifier nos calculs expérimentalement, " a déclaré Garnett.

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