Les cellules solaires et les photodétecteurs pourraient bientôt être fabriqués à partir de nouveaux types de matériaux à base de points quantiques semi-conducteurs, grâce à de nouvelles connaissances basées sur des mesures ultrarapides capturant les processus de photoconversion en temps réel.

"Nos dernières études de spectroscopie électro-optique ultrarapide fournissent des informations sans précédent sur la photophysique des points quantiques, " a déclaré le chercheur principal Victor Klimov, un physicien spécialisé dans les nanocristaux semi-conducteurs au Laboratoire national de Los Alamos, " et cette nouvelle information aide à perfectionner les propriétés des matériaux pour des applications dans des dispositifs de photoconversion pratiques. Notre nouvelle technique expérimentale nous permet de suivre une chaîne d'événements lancés par des impulsions laser femtosecondes et des processus d'identification responsables des pertes d'efficacité lors de la transformation de la lumière incidente en courant."

La photoconversion est un processus dans lequel l'énergie d'un photon, ou quantum de lumière, est converti en d'autres formes d'énergie, par exemple, chimique ou électrique. Les points quantiques semi-conducteurs sont des nanoparticules cristallines synthétisées chimiquement qui ont été étudiées pendant plus de trois décennies dans le cadre de divers schémas de photoconversion, notamment le photovoltaïque (génération de photo-électricité) et la photocatalyse (génération de « carburants solaires »). L'attrait des points quantiques vient de l'accordabilité inégalée de leurs propriétés physiques, qui peut être ajusté en contrôlant la taille, forme et composition des points.

A Los Alamos, la recherche est liée à la mission institutionnelle de résoudre les problèmes de sécurité nationale par l'excellence scientifique, dans ce cas en se concentrant sur de nouveaux principes physiques pour une photoconversion hautement efficace, manipulation de charge dans des structures de dispositifs exploratoires et de nouveaux nanomatériaux.

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L'intérêt pour les points quantiques en tant que matériaux de cellules solaires a été motivé par leurs spectres optiques accordables ainsi que par une nouvelle physique intéressante telle que la multiplication de porteurs à haute efficacité, C'est, génération de plusieurs paires électron-trou par des photons uniques. Cet effet, découvert par les chercheurs de Los Alamos en 2004, a entraîné une augmentation des activités dans le domaine des cellules solaires à points quantiques qui a rapidement poussé l'efficacité des dispositifs pratiques à plus de 10 %.

D'autres progrès dans ce domaine ont été entravés par le défi de comprendre les mécanismes de conductance électrique dans les solides de points quantiques et les processus qui limitent la distance de transport de charge. Un défi spécifique et persistant de grande importance du point de vue des applications photovoltaïques (PV), Klimov a dit, est de comprendre les raisons sous-jacentes à une perte considérable de photovoltage par rapport aux limites théoriques prévues - un problème avec les cellules solaires à points quantiques connu sous le nom de "déficit de photovoltage". Les chercheurs de Los Alamos du Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) aident à répondre à certaines des questions ci-dessus.

En appliquant une combinaison de techniques optiques et électriques ultrarapides, les scientifiques de Los Alamos ont pu résoudre étape par étape une séquence d'événements impliqués dans la photoconversion dans les films de points quantiques, de la génération d'un exciton à la séparation électron-trou, migration de charge point à point et enfin recombinaison.

La haute résolution temporelle de ces mesures (meilleure qu'un milliardième de seconde) a permis à l'équipe de révéler la cause d'une chute importante de l'énergie des électrons, qui résulte d'un piégeage très rapide des électrons par des états liés aux défauts. Dans le cas d'appareils pratiques, ce processus se traduirait par une réduction de la tension photovoltaïque. Les études récemment menées établissent l'échelle de temps exacte de ce processus de piégeage problématique et suggèrent qu'une amélioration modérée (moins de dix fois) de la mobilité des électrons devrait permettre de collecter des porteurs de charge photogénérés avant leur relaxation dans des états de plus faible énergie. Cela produirait une augmentation spectaculaire de la tension photovoltaïque et augmenterait donc l'efficacité globale de l'appareil.

Un autre effet intéressant révélé par ces études est l'influence des "spins" des électrons et des trous sur la photoconductance. Habituellement, les propriétés de spin des particules (elles peuvent être considérées comme la vitesse et la direction de rotation des particules autour de leur axe) sont invoquées dans le cas d'interactions avec un champ magnétique. Cependant, auparavant, il a été découvert que même une faible interaction entre les spins d'un électron et d'un trou (interaction dite "d'échange de spin") a un effet dramatique sur l'émission de lumière des points quantiques.

Les présentes mesures révèlent que ces interactions affectent également le processus de séparation électron-trou entre les points adjacents dans les solides à points quantiques. Plus précisément, ces études suggèrent que les efforts futurs sur les photodétecteurs à points quantiques à haute sensibilité devraient prendre en considération l'effet du blocus des échanges, qui, autrement, pourraient inhiber la photoconductance à basse température.

Les matériaux à points quantiques ont été au cœur des recherches du Los Alamos Center for Advanced Solar Photophysics, qui a étudié leur application aux technologies d'énergie solaire telles que les capteurs solaires luminescents pour les fenêtres solaires et les cellules photovoltaïques à faible coût traitées à partir de solutions de points quantiques.