L'un des principaux obstacles à la conception et au développement de nouveaux, des cellules solaires plus efficaces ont peut-être été supprimées. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont développé le premier ab initio méthode – c'est-à-dire un modèle théorique exempt de paramètres ajustables ou empiriques – pour caractériser les propriétés des « porteurs chauds » dans les semi-conducteurs. Les porteurs chauds sont des porteurs de charge électrique - électrons et trous - avec une énergie significativement plus élevée que les porteurs de charge à l'équilibre thermique.

"La thermalisation par porteur chaud est une source majeure de perte d'efficacité dans les cellules solaires, mais en raison de l'échelle de temps inférieure à la picoseconde et de la physique complexe impliquée, la caractérisation des porteurs chauds a longtemps été un défi même pour les matériaux les plus simples, " dit Steven Louie, un physicien théoricien et chercheur principal à la division des sciences des matériaux (MSD) du Berkeley Lab. « Notre travail est le premier ab initio calcul des grandeurs clés d'intérêt pour les porteurs chauds - durée de vie, qui nous dit combien de temps il faut aux porteurs chauds pour perdre de l'énergie, et le chemin libre moyen, qui nous dit jusqu'où les porteurs chauds peuvent voyager avant de perdre leur énergie.

Toutes les méthodes théoriques précédentes pour calculer ces valeurs nécessitaient des paramètres empiriques extraits du transport ou des mesures optiques d'échantillons de haute qualité, une exigence qui, parmi les matériaux semi-conducteurs notables, n'a été atteinte que pour le silicium et l'arséniure de gallium. Les ab initio méthode développée par Louie et Jeff Neaton, Directeur de la Fonderie Moléculaire, une installation d'utilisateurs de nanosciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) hébergée au Berkeley Lab, travailler avec Marco Bernardi, Derek Vigil-Fowler et Johannes Lischner, ne nécessite aucun paramètre expérimental autre que la structure du matériau.

"Cela signifie que nous pouvons étudier les porteurs chauds dans une variété de surfaces, nanostructures, et matériaux, tels que les cristaux inorganiques et organiques, sans s'appuyer sur les expériences existantes, " dit Neaton. " Nous pouvons même étudier des matériaux qui n'ont pas encore été synthétisés. Puisque nous pouvons accéder à des structures idéales et sans défaut avec nos méthodes, nous pouvons prédire des durées de vie intrinsèques et des chemins libres moyens difficiles à extraire des expériences en raison de la présence d'impuretés et de défauts dans des échantillons réels. Nous pouvons également utiliser notre modèle pour évaluer directement l'influence des défauts et des impuretés."

Néaton, comme Louie, est un chercheur principal de la faculté MSD à l'Université de Californie (UC) Berkeley. Neaton est également titulaire d'un poste au Kavli Institute for Energy Nanosciences. Ils sont les auteurs correspondants d'un article en Lettres d'examen physique décrivant cette œuvre intitulée " Ab Initio Étude des porteurs chauds dans la première picoseconde après l'absorption de la lumière du soleil dans le silicium." Bernardi est l'auteur principal de l'article, et Vigil-Fowler le co-auteur principal.

Les cellules solaires à simple jonction à base de silicium cristallin approchent rapidement de la limite théorique de leur efficacité, qui est d'environ 30 pour cent. Cela signifie que si une cellule solaire à base de silicium collecte 1, 000 Watts par mètre carré d'énergie, le maximum d'électricité qu'il peut générer est de 300 watts par mètre carré. Les porteurs chauds sont cruciaux pour améliorer l'efficacité des cellules solaires, puisque leur thermalisation entraîne la perte d'au moins un tiers de l'énergie solaire absorbée en silicium, et des valeurs similaires dans d'autres semi-conducteurs. Cependant, les propriétés des porteurs chauds dans les matériaux complexes pour le photovoltaïque et d'autres applications optoélectroniques modernes sont encore mal comprises.

"Notre étude visait à fournir des données utiles pour la dynamique des porteurs chauds dans le silicium avec une application dans les cellules solaires, " explique Bernardi. " Dans cette étude, nous fournissons des calculs à partir des premiers principes qui décrivent les deux principaux mécanismes de perte, induite par les électrons et les phonons, respectivement, avec une précision de pointe et dans le cadre des théories de la fonctionnelle de la densité et des perturbations à N corps."

Lorsque l'équipe de recherche a appliqué sa méthode pour étudier le temps de relaxation et le libre parcours moyen des porteurs chauds dans le silicium, ils ont constaté que la thermalisation sous illumination solaire est terminée en 350 femtosecondes, et est dominé par l'émission de phonons des porteurs chauds, un processus qui devient progressivement plus lent à mesure que les porteurs chauds perdent de l'énergie et se détendent vers les bords de la bande. Ce résultat de modélisation était en excellent accord avec les résultats des expériences pompe-sonde. Alors que le modèle n'a été testé que sur du silicium dans cette étude, les chercheurs sont convaincus qu'il sera tout aussi efficace avec d'autres matériaux.

"Nous pensons que notre approche est très précieuse pour les groupes expérimentaux qui étudient les porteurs chauds dans le contexte des cellules solaires et d'autres technologies d'énergie renouvelable, car elle peut être utilisée pour calculer la durée de vie et le libre parcours moyen des porteurs chauds avec des énergies spécifiques, élan, et des directions cristallographiques avec une résolution sans précédent, " dit Bernardi. " Alors que nous élargissons notre étude des porteurs chauds à une gamme de matériaux cristallins et de nanostructures, nous pensons que nos données fourniront des informations microscopiques uniques pour guider de nouvelles expériences sur les porteurs chauds dans les semi-conducteurs."