Des scientifiques de l'Université de technologie de Vienne ont réussi à combiner deux matériaux semi-conducteurs, composé de seulement trois couches atomiques chacun. Cette nouvelle structure est très prometteuse pour un nouveau type de cellule solaire.

Extrêmement mince, semi-transparent, les cellules solaires flexibles pourraient bientôt devenir réalité. A l'Université de Technologie de Vienne, Thomas Mueller, Marco Furchi et Andreas Pospischil ont réussi à créer une structure semi-conductrice composée de deux couches ultra-minces, qui semble être parfaitement adapté à la conversion d'énergie photovoltaïque

Il y a plusieurs mois, l'équipe avait déjà produit une couche ultra-mince du diséléniure de tungstène cristal photoactif. Maintenant, ce semi-conducteur a été associé avec succès à une autre couche en bisulfure de molybdène, créer un matériau de conception qui pourra être utilisé dans de futures cellules solaires à faible coût. Avec cette avance, les chercheurs espèrent établir un nouveau type de technologie de cellules solaires.

Structures bidimensionnelles

Matériaux ultra-fins, qui ne se composent que d'une ou de quelques couches atomiques sont actuellement un sujet brûlant dans la science des matériaux aujourd'hui. La recherche sur les matériaux bidimensionnels a commencé avec le graphène, un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone. Comme d'autres groupes de recherche dans le monde, Thomas Mueller et son équipe ont acquis le savoir-faire nécessaire pour gérer, analyser et améliorer les couches ultra-minces en travaillant avec le graphène. Ce savoir-faire est aujourd'hui appliqué à d'autres matériaux ultra-minces.

"Assez souvent, les cristaux bidimensionnels ont des propriétés électroniques complètement différentes de celles des couches plus épaisses du même matériau", dit Thomas Mueller. Son équipe a été la première à combiner deux couches semi-conductrices ultra-minces différentes et à étudier leurs propriétés optoélectroniques.

Deux couches avec des fonctions différentes

Le diséléniure de tungstène est un semi-conducteur composé de trois couches atomiques. Une couche de tungstène est prise en sandwich entre deux couches d'atomes de sélénium. "Nous avions déjà pu montrer que le diséléniure de tungstène peut être utilisé pour transformer la lumière en énergie électrique et vice versa", dit Thomas Mueller. Mais une cellule solaire composée uniquement de diséléniure de tungstène nécessiterait d'innombrables petites électrodes métalliques étroitement espacées de quelques micromètres seulement. Si le matériau est combiné avec du bisulfure de molybdène, qui se compose également de trois couches atomiques, ce problème est élégamment contourné. L'hétérostructure peut maintenant être utilisée pour construire des cellules solaires de grande surface.

Lorsque la lumière éclaire un matériau photoactif, des électrons isolés sont retirés de leur position d'origine. Il reste un trou chargé positivement, où se trouvait l'électron. L'électron et le trou peuvent se déplacer librement dans le matériau, mais ils ne contribuent au courant électrique que lorsqu'ils sont séparés de sorte qu'ils ne peuvent pas se recombiner.

Pour éviter la recombinaison des électrons et des trous, des électrodes métalliques peuvent être utilisées, à travers lequel la charge est aspirée - ou un deuxième matériau est ajouté. "Les trous se déplacent à l'intérieur de la couche de diséléniure de tungstène, les électrons, d'autre part, migrer dans le bisulfure de molybednium", dit Thomas Mueller. Ainsi, la recombinaison est supprimée.

Ceci n'est possible que si les énergies des électrons dans les deux couches sont réglées exactement dans le bon sens. Dans l'expérience, cela peut être fait en utilisant des champs électrostatiques. Florian Libisch et le professeur Joachim Burgdörfer (TU Vienne) ont fourni des simulations informatiques pour calculer comment l'énergie des électrons change dans les deux matériaux et quelle tension conduit à un rendement optimal d'énergie électrique.

Couches serrées

« L'un des plus grands défis a été d'empiler les deux matériaux, créant une structure atomiquement plate", dit Thomas Mueller. "S'il y a des molécules entre les deux couches, pour qu'il n'y ait pas de contact direct, la cellule solaire ne fonctionnera pas." Finalement, cet exploit a été accompli en chauffant les deux couches sous vide et en les empilant dans l'atmosphère ambiante. L'eau entre les deux couches a été éliminée en chauffant à nouveau la structure des couches.

Une partie de la lumière entrante traverse le matériau. Le reste est absorbé et converti en énergie électrique. Le matériau pourrait être utilisé pour les façades en verre, laissant entrer la plus grande partie de la lumière, mais toujours en créant de l'électricité. Comme il ne se compose que de quelques couches atomiques, il est extrêmement léger (300 mètres carrés ne pèsent qu'un gramme), et très souple. Maintenant, l'équipe travaille sur l'empilement de plus de deux couches - cela réduira la transparence, mais augmenter la puissance électrique.