La combinaison de points quantiques et de molécules organiques peut permettre aux cellules solaires de capter une plus grande partie de la lumière du soleil.

La lumière du soleil est notre source d'énergie renouvelable la plus abondante, et apprendre comment exploiter au mieux ce rayonnement est essentiel pour les futurs besoins énergétiques du monde. Des chercheurs de la KAUST ont découvert que l'efficacité des cellules solaires peut être augmentée en combinant des nanocristaux semi-conducteurs inorganiques avec des molécules organiques.

Les points quantiques sont des cristaux qui ne mesurent qu'environ 10 nanomètres de diamètre. Un électron piégé par le point a des propriétés assez différentes de celles d'un électron libre de se déplacer à travers un matériau plus gros.

"L'un des plus grands avantages des points quantiques pour les technologies de cellules solaires est l'accordabilité de leurs propriétés optiques, ", a expliqué Omar Mohammed, professeur adjoint de sciences chimiques à KAUST. "Ils peuvent être contrôlés en faisant varier la taille du point quantique."

Mohammed et ses collègues développent des points quantiques de sulfure de plomb pour la récupération d'énergie optique; ceux-ci ont tendance à être plus gros que les points fabriqués à partir d'autres matériaux. Par conséquent, Les points quantiques de sulfure de plomb peuvent absorber la lumière sur une plus large gamme de fréquences. Cela signifie qu'ils peuvent absorber une plus grande proportion de la lumière du soleil par rapport à d'autres points plus petits.

Pour faire une cellule solaire entièrement fonctionnelle, les électrons doivent pouvoir s'éloigner de la région d'absorption des points quantiques et s'écouler vers une électrode. Ironiquement, la propriété des grands points quantiques de sulfure de plomb qui les rend utiles pour l'absorption à large bande (une bande interdite d'énergie électronique plus petite) entrave également ce processus de récupération d'énergie. Précédemment, un transfert d'électrons efficace n'avait été obtenu que pour des points quantiques de sulfure de plomb de moins de 4,3 nanomètres de diamètre, ce qui a provoqué une coupure de la fréquence de la lumière convertie.

L'innovation de Mohammed et de l'équipe consistait à mélanger des points quantiques de sulfure de plomb de différentes tailles avec des molécules d'une famille connue sous le nom de porphyrines. Les chercheurs ont montré qu'en changeant la porphyrine utilisée, il est possible de contrôler le transfert de charge à partir de gros points de sulfure de plomb ; tandis qu'une molécule a complètement désactivé le transfert de charge, un autre a permis un transfert à une vitesse supérieure à 120 femtosecondes.

L'équipe pense que cette amélioration de la capacité de récupération d'énergie est due aux interactions électrostatiques interfaciales entre la surface du point quantique chargée négativement et la porphyrine chargée positivement.

« Avec cette approche, nous pouvons maintenant étendre la taille du point quantique pour un transfert de charge efficace afin d'inclure la majeure partie de la région spectrale du proche infrarouge, dépassant le seuil précédemment signalé, " a déclaré Mohammed. " Nous espérons ensuite mettre en œuvre cette idée dans des cellules solaires avec différentes architectures pour optimiser l'efficacité. "