Cette illustration montre deux points quantiques absorbant la lumière (sphères orange/rouge) entourés d'un polymère conducteur (structure "stick-and-ball"). Le rétrécissement du noyau de la boîte quantique améliore le transfert de charges électriques appelées "trous" (h+) de la boîte quantique au polymère. Les points quantiques avec transfert de charge amélioré pourraient trouver une application dans les cellules solaires photovoltaïques.
(Phys.org) — Les points quantiques — de minuscules cristaux semi-conducteurs d'un diamètre mesuré en milliardièmes de mètre — ont un potentiel énorme pour des applications qui utilisent leur capacité à absorber ou à émettre de la lumière et/ou des charges électriques. Les exemples incluent des diodes électroluminescentes (DEL) aux couleurs plus vives, cellules solaires photovoltaïques, transistors nanométriques, et biocapteurs. Mais parce que ces applications ont des exigences différentes, parfois opposées, trouver des moyens de contrôler les propriétés optiques et électroniques des points est crucial pour leur succès.
Dans une étude qui vient de paraître dans la revue Communications chimiques , scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis, Université Stony Brook, et l'Université de Syracuse montrent que le rétrécissement du noyau d'un point quantique peut améliorer la capacité d'un polymère environnant à extraire les charges électriques générées dans le point par l'absorption de la lumière.
« Les cellules photovoltaïques constituées de points quantiques associés à des matériaux plastiques tels que des polymères conducteurs sont beaucoup plus faciles à fabriquer et moins chères que les cellules solaires conventionnelles à base de silicium, " dit Mircea Cotlet, un physico-chimiste au Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), qui a dirigé l'équipe de recherche. "Ces types de matériaux sont bon marché, facile à synthétiser, et leur assemblage serait relativement facile."
L'inconvénient est que, à l'heure actuelle, les appareils solaires à base de silicium sont imbattables en termes d'efficacité. Mais la recherche visant à comprendre le processus photovoltaïque à l'échelle nanométrique pourrait changer cela.
"La capacité de fabriquer et d'étudier des particules uniques au CFN nous permet d'observer et de tester des propriétés qui seraient floues, ou moyenné, dans des échantillons plus grands, " dit Huidong Zang, un chercheur postdoctoral travaillant avec Cotlet et premier auteur de l'article.
Dans une cellule solaire, le matériau idéal absorberait beaucoup de lumière et convertirait efficacement cette énergie en charges électriques pouvant être facilement extraites sous forme de courant. Pour étudier les détails de ce processus, les scientifiques ont utilisé des points quantiques composés d'un noyau de cadmium-sélénium absorbant la lumière enfermé dans une coque protectrice en sulfure de zinc et entouré d'un polymère conducteur. Ils ont testé la capacité du polymère à extraire les charges électriques générées lorsque les points quantiques ont absorbé la lumière, et mené des expériences utilisant des points quantiques avec des noyaux de différentes tailles.
Mircea Cotlet du CFN (debout), post-doc Huidong Zang (centre), et Prahlad Kumar Routh, un étudiant diplômé du département des sciences des matériaux de l'Université Stony Brook, espérons que leurs recherches sur les points quantiques pour les cellules solaires illumineront notre avenir énergétique. Les scientifiques portent des lunettes de sécurité laser nécessaires à leurs expériences.
"Nous savions grâce aux prédictions théoriques que la taille des particules devrait avoir un effet sur le transfert de charge avec le polymère, mais personne n'avait fait cela comme une expérience jusqu'à présent, et en particulier au niveau de la particule unique, " dit Cotlet.
Lorsqu'ils ont fait varier la taille du noyau de la boîte quantique, les scientifiques ont découvert que plus le diamètre est petit, plus le processus de transfert de charge est efficace et cohérent.
"En utilisant un noyau plus petit, nous avons augmenté l'efficacité du processus de transfert de charge et réduit la distribution du taux de transfert de charge afin qu'il soit plus proche de l'idéal avec moins de variabilité, " dit Zang.
Les scientifiques exploraient un type particulier de transfert de charge créé par le mouvement de "trous" - des zones de charge positive créées par l'absence d'électrons chargés négativement. Dans les appareils électroniques, les trous peuvent être canalisés tout comme les électrons pour créer un courant électrique. Et dans ce cas, l'extraction de trous avait un avantage supplémentaire :elle augmentait le temps pendant lequel les points quantiques, qui s'allument et s'éteignent en clignotant, est resté à l'état « marche ».
"Le transfert de trou empêche le clignotement, " a déclaré Cotlet. " Il maintient le point quantique optiquement actif plus longtemps, ce qui est meilleur pour le procédé photovoltaïque, car les charges ne peuvent être extraites que lorsque le point quantique est activé. »
"Il serait impossible de voir cet effet avec des échantillons en vrac parce que vous ne pouvez pas voir les états" activé "et" désactivé ". Lorsque de nombreux points quantiques sont mélangés, les signaux font la moyenne. Vous ne pouvez le voir qu'en regardant les nanoparticules individuelles."
Le groupe de Cotlet avait déjà mené une étude similaire associant des points quantiques à des buckyballs riches en carbone. Dans cette étude, ils ont trouvé l'effet inverse :les Buckyballs diminuaient le temps d'activation des points tout en améliorant le transfert d'électrons.
Dans d'autres applications, peigner des points et des polymères, comme les LED ou les biocapteurs, les scientifiques cherchent des moyens de supprimer le transfert de charge car ce processus devient préjudiciable.
"Connaître ces fondamentaux et savoir comment contrôler ces processus à l'échelle nanométrique devrait nous aider à optimiser l'utilisation des points quantiques pour un large éventail d'applications, " dit Cotlet.
