Le Soleil est notre source d'énergie propre et renouvelable la plus prometteuse. L'énergie qui atteint la Terre depuis le Soleil en une heure est presque équivalente à celle consommée par les humains sur une année. Les cellules solaires peuvent exploiter cette énorme source d'énergie en convertissant la lumière en courant électrique. Cependant, ces appareils nécessitent encore des améliorations significatives en termes d'efficacité avant de pouvoir concurrencer les sources d'énergie plus traditionnelles.

Xiaogang Liu, Alfred Ling Yoong Tok et leurs collègues de l'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, l'Université nationale de Singapour et l'Université technologique de Nanyang, Singapour, ont maintenant développé une méthode pour utiliser des nanostructures pour augmenter la fraction de lumière entrante qui est absorbée par un matériau de récolte de lumière. La méthode est idéale pour une utilisation avec des cellules solaires à haut rendement.

Les cellules solaires absorbent des paquets d'énergie optique appelés photons, puis utilisent les photons pour générer des électrons. L'énergie de certains photons du Soleil, cependant, est trop petit pour créer des électrons de cette manière et est donc perdu. Liu, Tok et leurs collègues ont contourné cette perte en utilisant un effet connu sous le nom de conversion ascendante. Dans ce processus, deux photons de basse énergie sont combinés pour produire un seul photon de haute énergie. Ce photon énergétique peut alors être absorbé par la région active de la cellule solaire.

L'appareil des chercheurs comprenait un cadre en oxyde de titane rempli d'un arrangement régulier de pores d'air d'environ un demi-micromètre de diamètre, une structure appelée opale inverse (voir image). Sphères du matériau de conversion ascendante, qui avaient 30 nanomètres de diamètre, assis à la surface de ces pores. De minuscules points quantiques sensibles à la lumière constitués de cristaux de séléniure de cadmium recouvraient ces nanosphères.

Les points quantiques ont efficacement absorbé la lumière entrante, soit directement à partir d'une source externe, soit à partir de photons non convertis issus des nanosphères, et le converti en électrons. Cette charge a ensuite coulé dans le cadre en oxyde de titane. "L'opale inverse en oxyde de titane crée une voie continue de conduction électronique et fournit une grande surface interfaciale pour supporter les nanoparticules de conversion ascendante et les points quantiques, " explique Liu.

Liu, Tok et l'équipe ont testé l'appareil en lui envoyant une lumière laser avec une longueur d'onde de 980 nanomètres, qui n'est normalement pas absorbé par les points quantiques de séléniure de cadmium. Comme prévu, ils ont pu mesurer un courant électrique beaucoup plus élevé que la même expérience réalisée avec un appareil sans les nanosphères de conversion ascendante. "Nous pensons que le transfert d'énergie et la récupération de lumière améliorés peuvent offrir un avantage très compétitif par rapport aux cellules solaires au silicium conventionnelles, " dit Liu.