Les chercheurs de l'ETH ont développé un modèle complet pour expliquer comment les électrons circulent à l'intérieur de nouveaux types de cellules solaires constituées de minuscules cristaux. Le modèle permet une meilleure compréhension de ces cellules et peut aider à augmenter leur efficacité.

Les scientifiques se concentrent sur des cristaux de taille nanométrique pour la prochaine génération de cellules solaires. Ces nanocristaux ont d'excellentes propriétés optiques. Par rapport au silicium dans les cellules solaires d'aujourd'hui, les nanocristaux peuvent être conçus pour absorber une plus grande fraction du spectre de la lumière solaire. Cependant, le développement de cellules solaires à base de nanocristaux est un défi :« Ces cellules solaires contiennent des couches de nombreux cristaux individuels de taille nanométrique, liés entre eux par une colle moléculaire. Au sein de ce composite de nanocristaux, les électrons ne circulent pas aussi bien que nécessaire pour les applications commerciales, " explique Vanessa Wood, Professeur d'ingénierie des matériaux et des dispositifs à l'ETH Zurich. Jusqu'à maintenant, la physique du transport des électrons dans ce système de matériaux complexe n'était pas comprise, il était donc impossible de concevoir systématiquement de meilleurs composites de nanocristaux.

Wood et ses collègues ont mené une étude approfondie sur les cellules solaires à nanocristaux, qu'ils ont fabriqués et caractérisés dans leurs laboratoires de l'ETH Zurich. Ils ont pu pour la première fois décrire le transport des électrons dans ces types de cellules via un modèle physique généralement applicable. "Notre modèle est capable d'expliquer l'impact du changement de taille des nanocristaux, matériau nanocristallin, ou des molécules liantes sur le transport d'électrons, " dit Wood. Le modèle donnera aux scientifiques du domaine de la recherche une meilleure compréhension des processus physiques à l'intérieur des cellules solaires à nanocristaux et leur permettra d'améliorer l'efficacité des cellules solaires.

Des perspectives prometteuses grâce aux effets quantiques

La raison de l'enthousiasme de nombreux chercheurs en cellules solaires pour les minuscules cristaux est qu'à de petites dimensions entrent en jeu des effets de la physique quantique qui ne sont pas observés dans les semi-conducteurs en vrac. Un exemple est que les propriétés physiques des nanocristaux dépendent de leur taille. Et parce que les scientifiques peuvent facilement contrôler la taille des nanocristaux dans le processus de fabrication, ils sont également capables d'influencer les propriétés des nanocristaux semi-conducteurs et de les optimiser pour les cellules solaires.

Une de ces propriétés qui peut être influencée par la modification de la taille des nanocristaux est la quantité de spectre solaire qui peut être absorbée par les nanocristaux et convertie en électricité par la cellule solaire. Les semi-conducteurs n'absorbent pas tout le spectre solaire, mais plutôt seulement un rayonnement inférieur à une certaine longueur d'onde, ou - en d'autres termes - avec une énergie supérieure à l'énergie dite de bande interdite du semi-conducteur. Dans la plupart des semi-conducteurs, ce seuil ne peut être modifié qu'en changeant de matériau. Cependant, pour les composites nanocristaux, le seuil peut être modifié simplement en changeant la taille des cristaux individuels. Ainsi, les scientifiques peuvent sélectionner la taille des nanocristaux de manière à ce qu'ils absorbent le maximum de lumière dans une large gamme du spectre solaire.

Un avantage supplémentaire des semi-conducteurs à nanocristaux est qu'ils absorbent beaucoup plus de lumière solaire que les semi-conducteurs traditionnels. Par exemple, le coefficient d'absorption des nanocristaux de sulfure de plomb, utilisé par les chercheurs de l'ETH dans leurs travaux expérimentaux, est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des semi-conducteurs en silicium, traditionnellement utilisées comme cellules solaires. Ainsi, une quantité relativement faible de matériau est suffisante pour la fabrication de cellules solaires à nanocristaux, permettant de faire très fin, cellules solaires souples.

Besoin d'une plus grande efficacité

Le nouveau modèle proposé par les chercheurs de l'ETH répond à une série de questions non résolues auparavant liées au transport des électrons dans les composites nanocristaux. Par exemple, jusqu'à maintenant, aucune preuve expérimentale n'existait pour prouver que l'énergie de la bande interdite d'un composite de nanocristaux dépendait directement de l'énergie de la bande interdite des nanocristaux individuels. "Pour la première fois, nous avons montré expérimentalement que c'est le cas, " dit Wood.

Au cours des cinq dernières années, les scientifiques ont réussi à augmenter considérablement l'efficacité des cellules solaires à nanocristaux, pourtant, même dans les meilleures de ces cellules solaires, seulement 9 % de la lumière solaire incidente sur la cellule est convertie en énergie électrique. "Pour que nous commencions à envisager des applications commerciales, nous devons atteindre une efficacité d'au moins 15 %, " explique Wood. Les travaux de son groupe rapprochent les chercheurs de l'amélioration du transport des électrons et de l'efficacité des cellules solaires.