Le matériau est éclairé par des photons. Dans certains des nanocristaux de germanium, les photons provoquent l'excitation des électrons, et forment ainsi une paire électron-trou (e-h). Il y a deux possibilités. (1) Le photon entrant a une énergie comprise entre une et deux fois l'énergie de la bande interdite. Une paire e-h est formée. (2) Le photon entrant a une énergie de plus de deux fois l'énergie de la bande interdite. L'excès d'énergie de l'électron – l'énergie « cinétique » de l'électron qui est excité en haut de la bande de conduction – est suffisant pour créer une deuxième paire e-h dans le même nanocristal. De cette façon, la multiplication des porteuses est obtenue. Crédit :Recherche Fondamentale sur la Matière (FOM)
Chercheurs de la FOM, l'Université d'Amsterdam, l'Université de technologie de Delft et l'Université de l'Algarve ont découvert que lorsque la lumière frappe les nanocristaux de germanium, les cristaux produisent des « électrons bonus ». Ces électrons supplémentaires pourraient augmenter le rendement des cellules solaires et améliorer la sensibilité des photodétecteurs. Les chercheurs publieront leurs travaux dans Lumière :science et applications aujourd'hui.
Dans les nanocristaux, l'absorption d'un seul photon peut conduire à l'excitation de plusieurs électrons :deux pour un ! Ce phénomène, connu sous le nom de multiplication de porteurs, était déjà bien connue dans les nanocristaux de silicium. Le silicium est le matériau le plus couramment utilisé dans les cellules solaires. Cependant, les chercheurs ont découvert que la multiplication des porteurs se produit également dans les nanocristaux de germanium, qui sont plus adaptés pour optimiser l'efficacité que les nanocristaux de silicium. Leur découverte pourrait conduire à de meilleures cellules solaires.
Physique des semi-conducteurs
Le germanium et le silicium sont des exemples de semi-conducteurs :des matériaux qui ont une bande interdite énergétique. Lorsque ces matériaux absorbent la lumière, les électrons de la bande au-dessous de cette bande interdite (bande de valence) sautent vers la bande au-dessus de la bande interdite (bande de conduction). Ces électrons « chauds » excités et les trous qu'ils laissent derrière eux peuvent être récoltés pour former un courant électrique. Ils constituent le carburant de base d'une cellule solaire.
Nanocristaux et multiplication des porteurs
Si un photon absorbé contient plus d'énergie qu'un électron n'en a besoin pour franchir la bande interdite, l'excès d'énergie peut être utilisé pour exciter un deuxième électron. Des recherches antérieures ont montré qu'une énergie de bande interdite de 0,6 à 1,0 électronvolt est idéale pour réaliser cette multiplication de porteurs.
Les nanocristaux sont extrêmement petits, environ mille fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. En raison de leur taille, la structure énergétique des cristaux est radicalement différente de celle du matériau en vrac. En réalité, l'énergie de la bande interdite dépend de la taille des nanocristaux. Le germanium en vrac a une bande interdite énergétique de 0,67 électronvolt. En ajustant la taille des nanocristaux de germanium, les chercheurs peuvent modifier l'énergie de la bande interdite à des valeurs comprises entre 0,6 et 1,4 électronvolt. C'est dans la plage idéale pour optimiser la multiplication des porteuses, ou la quantité d'« électrons bonus ».
Réalisation de l'expérience
Pour étudier la multiplication des porteurs dans les nanocristaux, les chercheurs ont utilisé une technique optique appelée spectroscopie pompe-sonde. Une impulsion laser initiale, appelé la pompe, émet des photons qui excitent le nanocristal en créant un électron libre dans la bande de conduction. Une seconde impulsion de photons, appelé la sonde, peut alors être absorbé par cet électron.
Les chercheurs ont découvert que si l'énergie du photon de la pompe est le double de l'énergie de la bande interdite des nanocristaux de germanium, la lumière de la sonde est absorbée par deux électrons au lieu d'un. Cet effet est l'empreinte bien connue de la multiplication des porteurs. En d'autres termes, si le photon de la pompe transporte une énergie suffisante, l'électron chaud contient suffisamment d'énergie en excès pour exciter un deuxième électron dans le même nanocristal. En utilisant cette multiplication de porteuses, les nanocristaux de germanium peuvent aider à atteindre l'efficacité maximale des cellules solaires.
