De nouvelles recherches de l'Université Rice pourraient permettre aux ingénieurs d'exploiter plus facilement la puissance des nanomatériaux captant la lumière pour augmenter l'efficacité et réduire les coûts des cellules solaires photovoltaïques.

Bien que l'industrie nationale de l'énergie solaire ait augmenté de 34 % en 2014, des percées techniques fondamentales sont nécessaires si les États-Unis veulent atteindre leur objectif national de réduire le coût de l'électricité solaire à 6 cents le kilowattheure.

Dans une étude publiée le 13 juillet dans Communication Nature , des scientifiques du laboratoire Rice pour la nanophotonique (LANP) décrivent une nouvelle méthode que les concepteurs de panneaux solaires pourraient utiliser pour incorporer des nanomatériaux captant la lumière dans les conceptions futures. En appliquant une analyse théorique innovante aux observations d'un dispositif expérimental unique en son genre, Bob Zheng, étudiant diplômé du LANP, et Alejandro Manjavacas, associé de recherche postdoctoral, ont créé une méthodologie que les ingénieurs solaires peuvent utiliser pour déterminer le potentiel de production d'électricité de tout arrangement de nanoparticules métalliques.

Les chercheurs du LANP étudient les nanomatériaux captant la lumière, y compris les nanoparticules métalliques qui convertissent la lumière en plasmons, vagues d'électrons qui s'écoulent comme un fluide à la surface des particules. Par exemple, la récente recherche plasmonique LANP a conduit à des percées dans la technologie d'affichage couleur, production de vapeur à énergie solaire et capteurs de couleur qui imitent l'œil.

"L'un des phénomènes intéressants qui se produit lorsque vous éclairez une nanoparticule ou une nanostructure métallique est que vous pouvez exciter un sous-ensemble d'électrons dans le métal à un niveau d'énergie beaucoup plus élevé, " dit Zheng, qui travaille avec la directrice du LANP et co-auteur de l'étude Naomi Halas. "Les scientifiques appellent ces 'porteurs chauds' ou 'électrons chauds'."

Halas, Rice's Stanley C. Moore professeur de génie électrique et informatique et professeur de chimie, bio-ingénierie, physique et astronomie, et la science des matériaux et la nano-ingénierie, lesdits électrons chauds sont particulièrement intéressants pour les applications d'énergie solaire car ils peuvent être utilisés pour créer des dispositifs qui produisent du courant continu ou pour entraîner des réactions chimiques sur des surfaces métalliques par ailleurs inertes.

Les cellules photovoltaïques les plus efficaces d'aujourd'hui utilisent une combinaison de semi-conducteurs fabriqués à partir d'éléments rares et coûteux comme le gallium et l'indium. Halas a déclaré qu'un moyen de réduire les coûts de fabrication serait d'incorporer des nanostructures plasmoniques de collecte de lumière à haute efficacité avec des semi-conducteurs à faible coût comme les oxydes métalliques. En plus d'être moins cher à fabriquer, les nanostructures plasmoniques ont des propriétés optiques qui peuvent être contrôlées avec précision en modifiant leur forme.

"Nous pouvons régler les structures plasmoniques pour capturer la lumière sur tout le spectre solaire, " Halas a déclaré. "L'efficacité des cellules solaires à base de semi-conducteurs ne peut jamais être étendue de cette manière en raison des propriétés optiques inhérentes des semi-conducteurs."

L'approche plasmonique a déjà été essayée mais avec peu de succès.

Zheng a dit, « Le photovoltaïque à base de plasmonique a généralement eu de faibles rendements, et il n'a pas été tout à fait clair si ceux-ci sont dus à des limitations physiques fondamentales ou à des conceptions moins qu'optimales."

Lui et Halas ont dit Manjavacas, un physicien théoricien dans le groupe du chercheur du LANP Peter Nordlander, a mené des travaux dans la nouvelle étude qui offre un aperçu fondamental de la physique sous-jacente de la production d'électrons chauds dans les dispositifs plasmoniques.

Manjavacas a dit, "Pour utiliser l'énergie du photon, il doit être absorbé plutôt que dispersé. Pour cette raison, de nombreux travaux théoriques antérieurs s'étaient concentrés sur la compréhension de l'absorption totale du système plasmonique."

Il a déclaré qu'un exemple récent d'un tel travail provient d'une expérience pionnière menée par un autre étudiant diplômé de Rice, Ali Sobhani, où l'absorption était concentrée près d'une interface métal-semi-conducteur.

"De cette perspective, on peut déterminer le nombre total d'électrons produits, mais il ne fournit aucun moyen de déterminer combien de ces électrons sont réellement utiles, haute énergie, électrons chauds, ", a déclaré Manjavacas.

Il a déclaré que les données de Zheng permettaient une analyse plus approfondie parce que sa configuration expérimentale filtrait sélectivement les électrons chauds à haute énergie de leurs homologues moins énergétiques. Pour y parvenir, Zheng a créé deux types de dispositifs plasmoniques. Chacun se composait d'un nanofil d'or plasmonique au sommet d'une couche semi-conductrice de dioxyde de titane. Dans la première configuration, l'or reposait directement sur le semi-conducteur, et dans la seconde, une fine couche de titane pur a été placée entre l'or et le dioxyde de titane. La première configuration a créé une structure microélectronique appelée barrière de Schottky et a permis uniquement aux électrons chauds de passer de l'or au semi-conducteur. La deuxième configuration a permis à tous les électrons de passer.

"L'expérience a clairement montré que certains électrons sont plus chauds que d'autres, et cela nous a permis de corréler ceux avec certaines propriétés du système, " a déclaré Manjavacas. " En particulier, nous avons trouvé que les électrons chauds n'étaient pas corrélés avec l'absorption totale. Ils ont été conduits par un autre, mécanisme plasmonique connu sous le nom d'amélioration de l'intensité du champ."

Les chercheurs du LANP et d'autres ont passé des années à développer des techniques pour renforcer l'amélioration de l'intensité de champ des structures photoniques pour la détection de molécules uniques et d'autres applications. Zheng et Manjavacas ont déclaré qu'ils effectuaient d'autres tests pour modifier leur système afin d'optimiser la production d'électrons chauds.

Halas a dit, "Il s'agit d'une étape importante vers la réalisation de technologies plasmoniques pour l'énergie solaire photovoltaïque. Cette recherche ouvre la voie à l'augmentation de l'efficacité des dispositifs plasmoniques à porteurs chauds et montre qu'ils peuvent être utiles pour convertir la lumière du soleil en électricité utilisable."