Le nanofil de silicium amorphe (réseau jaune) facilite la récolte de l'énergie solaire sous la forme d'un photon (ligne ondulée). Au cours du processus d'absorption de la lumière, une paire de porteurs de charge mobiles est créée (les nuages rouges représentent un électron barbouillé dans l'espace, tandis que les nuages bleus visualisent le soi-disant trou qui est un porteur chargé positivement). L'énergie de leur mouvement dirigé est alors transformée en électricité. Les distributions de charges d'électrons et de trous sont souvent situées dans différentes régions de l'espace en raison de multiples défauts structurels dans les nanofils de silicium amorphe. Crédit :A.Kryjevski, S.Kilina et D.Kilin/JRSE
Un trio de chercheurs de l'Université d'État du Dakota du Nord et de l'Université du Dakota du Sud se sont tournés vers la modélisation informatique pour aider à décider lequel des deux matériaux concurrents devrait faire son temps au soleil en tant que technologie de récolte d'énergie à l'échelle nanométrique des futurs panneaux solaires - points quantiques ou nanofils.
Andrei Kryjevski et ses collègues, Dimitri Kilin et Svetlana Kilina, rapport dans AIP Publishing Journal de l'énergie renouvelable et durable qu'ils ont utilisé des modèles de chimie computationnelle pour prédire les propriétés électroniques et optiques de trois types de structures de silicium à l'échelle nanométrique (milliardième de mètre) avec une application potentielle pour la collecte d'énergie solaire :une boîte quantique, des chaînes unidimensionnelles de points quantiques et un nanofil. La capacité d'absorption de la lumière est considérablement améliorée dans les nanomatériaux par rapport à ceux utilisés dans les semi-conducteurs conventionnels. Déterminer quelle forme (points quantiques ou nanofils) maximise cet avantage était l'objectif de l'expérience numérique menée par les trois chercheurs.
"Nous avons utilisé la théorie fonctionnelle de la densité, une approche informatique qui nous permet de prédire les propriétés électroniques et optiques qui reflètent la capacité des nanoparticules à absorber la lumière, et comment cette efficacité est affectée par l'interaction entre les points quantiques et le désordre dans leurs structures, " dit Kryjevski. " Par ici, nous pouvons prédire comment les points quantiques, les chaînes de points quantiques et les nanofils se comporteront dans la vraie vie avant même d'être synthétisés et leurs propriétés de fonctionnement vérifiées expérimentalement."
Les simulations faites par Kryjevski, Kilin et Kilina ont indiqué que l'absorption de lumière par les chaînes de points quantiques de silicium augmente considérablement avec l'augmentation des interactions entre les nanosphères individuelles de la chaîne. Ils ont également découvert que l'absorption de la lumière par les chaînes de points quantiques et les nanofils dépend fortement de la façon dont la structure est alignée par rapport à la direction des photons qui la frappent. Finalement, les chercheurs ont appris que le désordre de la structure atomique dans les nanoparticules amorphes entraîne une meilleure absorption de la lumière à des énergies inférieures par rapport aux nanomatériaux cristallins.
« Sur la base de nos constatations, nous pensons que mettre les points quantiques amorphes dans un réseau ou les fusionner dans un nanofil sont les meilleurs assemblages pour maximiser l'efficacité des nanomatériaux de silicium pour absorber la lumière et transporter la charge dans un système photovoltaïque, " a déclaré Kryjevski. " Cependant, notre étude n'est qu'une première étape d'une étude computationnelle complète des propriétés des assemblages de points quantiques semi-conducteurs.
"Les prochaines étapes consistent à construire des modèles plus réalistes, tels que des points quantiques plus grands avec leurs surfaces recouvertes de ligands organiques et simulent les processus qui se produisent dans les cellules solaires réelles, " il ajouta.
