Les cellules solaires fabriquées à partir de points quantiques de sulfure de plomb pourraient éventuellement offrir une solution moins chère, alternative plus flexible à celles fabriquées à l'aide de silicium, mais ils sont actuellement beaucoup moins efficaces. Cependant, modifier la composition chimique des cellules solaires à points quantiques offre un moyen de les régler pour atteindre des rendements plus élevés, Selon Patrick R. Brown, étudiant diplômé en physique du MIT.

"Au lieu de commencer avec une technologie à haut rendement et d'essayer ensuite de la rendre moins chère, c'est ce que nous faisons actuellement avec le silicium, notre plan est de commencer avec quelque chose que nous savons que nous pourrions faire à moindre coût et de voir si nous pourrions le rendre plus efficace, ", explique Brown.

Le sulfure de plomb est abondant, naturellement présent dans la galène minérale, et le monde produit actuellement suffisamment de plomb et de soufre en l'espace de quelques semaines pour construire des cellules solaires au sulfure de plomb afin de fournir toute l'électricité mondiale, Notes brunes. D'autres alternatives au silicium comme le tellurure de cadmium ou le cuivre indium gallium diséléniure (CIGS) présentent l'inconvénient d'utiliser des matières premières plus coûteuses et moins abondantes. Les points quantiques de sulfure de plomb présentent un autre avantage par rapport aux autres technologies émergentes de cellules solaires à couche mince comme les polymères organiques et les pérovskites en ce qu'ils sont stables dans l'air.

"Je me concentre sur essayer de comprendre quels sont les boutons que nous devons tourner sur ce matériau qui nous permettront ensuite d'atteindre une efficacité plus élevée, ", dit Brown.

Les ligands modifient les niveaux d'énergie

Les points quantiques sont des semi-conducteurs cristallins à l'échelle nanométrique dont la bande interdite change avec leur taille. La bande interdite détermine quelles régions du spectre solaire - qui contient des ultraviolets, visible, et la lumière infrarouge - que les cellules solaires à points quantiques peuvent absorber et convertir en électricité. La récente recherche collaborative de Brown avec le professeur du MIT Vladimir Bulović et cinq autres personnes a démontré comment attacher différentes molécules organiques, ou des ligands, à la surface des points quantiques peuvent modifier leur niveau d'énergie. Brown a fabriqué et étudié ses cellules solaires à points quantiques au sulfure de plomb dans le laboratoire d'électronique organique et nanostructurée de Bulović.

Lorsque la lumière du soleil frappe un semi-conducteur dans une cellule solaire, il peut exciter un électron de son état fondamental étroitement lié dans la "bande de valence" vers des états moins étroitement liés dans la "bande de conduction, " où les électrons peuvent se déplacer librement et générer un courant électrique. Brown a étudié l'influence que différents ligands chimiques ont sur les énergies de l'état fondamental des électrons dans la bande de valence des points quantiques. En utilisant une technique connue sous le nom de spectroscopie photoélectronique ultraviolette dans le laboratoire de Professeur du MIT Marc A. Baldo, Brown a mesuré les différentes propriétés électroniques des films de points quantiques de sulfure de plomb traités avec 12 ligands chimiques différents. Les résultats montrent que ces ligands de surface agissent comme de minuscules dipôles électriques - l'équivalent électrique de l'aimant en barre familier - et peuvent donc influencer l'énergie des électrons dans une boîte quantique.

Guider une conception efficace

« Dans notre travail, nous montrons que lorsque vous changez les ligands de surface, vous pouvez laisser le bandgap le même, mais changer les niveaux d'énergie absolus, " dit Brown. La capacité d'ajuster à la fois la taille de la boîte quantique et sa chimie de surface peut guider la conception de cellules solaires efficaces et, finalement, dispositifs multi-jonctions qui absorbent une plus grande partie du spectre solaire. "Avec cette capacité à régler les niveaux d'énergie des points quantiques en changeant les ligands, nous pouvons nous assurer qu'il n'y a pas de barrières énergétiques dans notre appareil et que les électrons ont un chemin énergétique descendant hors de l'appareil, " explique Brown. " La capacité d'ajuster ces propriétés à l'aide de processus chimiques aussi simples est ce qui distingue ces matériaux, ce qui en fait un choix unique et prometteur pour une utilisation dans les cellules solaires, ", dit Brown.

Brown et Donghun Kim, étudiant diplômé en sciences des matériaux du MIT, ont été co-auteurs principaux de l'article, "Modification du niveau d'énergie dans les films minces à points quantiques de sulfure de plomb par échange de ligand, " publié dans ACS Nano en juin 2014. Les autres co-auteurs étaient les professeurs du MIT Vladimir Bulović, Jeffrey C. Grossman, et Moungi G. Bawendi, ainsi que Richard R. Lunt, professeur adjoint de génie chimique et de science des matériaux à la Michigan State University, et Ni Zhao, professeur adjoint d'ingénierie électronique à l'Université chinoise de Hong Kong. Brun, 27, est dans sa sixième année en tant qu'étudiant diplômé en physique et espère obtenir son doctorat en 2015. Il a obtenu son baccalauréat en physique et chimie à l'Université de Notre Dame. Brown est membre de la National Science Foundation ainsi que membre de la Fannie and John Hertz Foundation.

Kim a utilisé des simulations informatiques à l'échelle atomique pour modéliser les interactions des ligands chimiques avec la surface des points quantiques. Ces simulations ont expliqué un résultat clé de l'étude, montrant que les différents moments dipolaires électriques des ligands sont responsables des changements dans les niveaux d'énergie des points quantiques. "Quelle que soit la manière dont un ligand spécifique se lie à la surface de la boîte quantique, Les simulations de Donghun ont montré un changement dans les niveaux d'énergie qui correspondait aux changements que nous mesurions expérimentalement, ", dit Brown.

Répondre à la demande mondiale

Pour fournir une grande partie de la demande énergétique mondiale avec le photovoltaïque, il faudrait installer des dizaines de milliers de kilomètres carrés de cellules solaires, dit Brown. Les cellules solaires à base de silicium sont efficaces et de moins en moins chères au fur et à mesure que l'on en fabrique, mais leur nature fragile signifie qu'ils doivent être encapsulés par rigide, cadres en aluminium et en verre relativement lourds. "L'idée clé avec les points quantiques est qu'au lieu de partir de gros cristaux de silicium qui doivent être découpés en tranches simples, nous commençons avec de très petits cristaux, environ 10 nanomètres de diamètre, que nous pouvons dissoudre en solution et imprimer comme une encre. Ainsi, au lieu d'être lié à ces substrats de verre rigides, nous pourrions éventuellement imprimer ou pulvériser nos cellules solaires sur des substrats flexibles comme vous imprimeriez un journal, " dit Brown. " C'est le genre de choses que vous ne pourriez pas faire avec une plaquette de silicium. "

Les points quantiques ont leurs inconvénients, bien sûr, c'est pourquoi cette technologie n'est pas encore arrivée sur le marché. "Les électrons ont plus de mal à sauter entre les points quantiques qu'à traverser un pur, cristal uniforme de silicium. Alors que les matériaux que nous utilisons sont très bon marché, la difficulté de déplacer la charge à travers eux conduit à une faible efficacité des cellules solaires, " dit Brown. Par exemple, les électrons peuvent être piégés à la surface des points quantiques. "Une chose que nous voulons faire est de déterminer quel genre de trucs chimiques nous pouvons jouer à la surface de la boîte quantique pour se débarrasser de ces états pièges, " il dit.

L'objectif à long terme de la recherche est d'utiliser les propriétés électroniques accordables pour fabriquer des cellules solaires à points quantiques au sulfure de plomb à plus haut rendement, flexibles et pouvant être fabriquées à faible coût, dit Brown.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.