Les points quantiques sont des particules semi-conductrices de taille nanométrique ayant des applications potentielles dans les cellules solaires et l'électronique. Des scientifiques de l'Université de Groningue et leurs collègues de l'ETH Zürich ont maintenant découvert comment augmenter l'efficacité de la conductivité de charge dans les points quantiques plomb-soufre. Leurs résultats seront publiés dans la revue Avancées scientifiques le 29 septembre.

Les points quantiques sont des amas d'environ 1, 000 atomes qui agissent comme un grand "super-atome". Les points, qui sont synthétisés sous forme de colloïdes, c'est-à-dire en suspension dans un liquide comme une sorte de peinture, peuvent être organisés en films minces avec des techniques de traitement simples basées sur des solutions. Ces films minces peuvent transformer la lumière en électricité. Cependant, les scientifiques ont découvert que les propriétés électroniques sont un goulot d'étranglement. "Surtout la conduction des trous, la contrepartie positive des électrons chargés négativement, " explique Daniel Balazs, doctorat étudiant dans le groupe de photophysique et optoélectronique du professeur Maria A. Loi à l'Institut des matériaux avancés de l'Université de Groningen Zernike.

Stoechiométrie

Le groupe de Loi travaille avec des points quantiques plomb-sulfure. Lorsque la lumière produit une paire électron-trou dans ces points, l'électron et le trou ne se déplacent pas avec la même efficacité à travers l'assemblage de points. Lorsque le transport de l'un ou l'autre est limité, les trous et les électrons peuvent facilement se recombiner, ce qui réduit l'efficacité de la conversion lumière-énergie. Balazs a donc entrepris d'améliorer la mauvaise conductance des trous dans les boîtes quantiques et de trouver une boîte à outils pour rendre cette classe de matériaux accordable et multifonctionnelle.

"La racine du problème est la stoechiométrie plomb-soufre, " explique-t-il. Dans les points quantiques, près de la moitié des atomes sont à la surface du super-atome. Dans le système plomb-soufre, les atomes de plomb remplissent préférentiellement la partie externe, ce qui signifie un rapport plomb/soufre de 1:3 au lieu de 1:1. Cet excès de plomb fait de cette boîte quantique un meilleur conducteur d'électrons que les trous.

Films minces

En vrac, le transport est généralement amélioré en "dopant" le matériau :ajout de petites quantités d'impuretés. Cependant, les tentatives pour ajouter du soufre aux points quantiques ont échoué jusqu'à présent. Mais maintenant, Balazs et Loi ont trouvé un moyen de le faire et d'augmenter ainsi la mobilité des trous sans affecter la mobilité des électrons.

De nombreux groupes ont tenté de combiner l'ajout de soufre avec d'autres étapes de production. Cependant, cela a causé de nombreux problèmes, comme perturber l'assemblage des points dans le film mince. Au lieu, Balazs a d'abord produit des films minces commandés, puis a ajouté du soufre activé. Des atomes de soufre ont ainsi été ajoutés avec succès à la surface des points quantiques sans affecter les autres propriétés du film. "Une analyse minutieuse des processus chimiques et physiques lors de l'assemblage de couches minces à points quantiques et l'ajout de soufre supplémentaire étaient ce qui était nécessaire pour obtenir ce résultat. C'est pourquoi notre groupe, avec la collaboration de nos collègues chimistes de Zürich, a finalement réussi."

Dispositifs

L'équipe de Loi est maintenant en mesure d'ajouter différentes quantités de soufre, ce qui leur permet d'ajuster les propriétés électriques des assemblages de super-atomes. "Nous savons maintenant que nous pouvons améliorer l'efficacité des cellules solaires à points quantiques au-dessus du record actuel de 11%. La prochaine étape consiste à montrer que cette méthode peut également fabriquer d'autres types de dispositifs fonctionnels tels que des dispositifs thermoélectriques." Il souligne les propriétés uniques des points quantiques :ils agissent comme un seul atome avec des propriétés électriques spécifiques. "Et maintenant, nous pouvons les assembler et concevoir leurs propriétés électriques comme nous le souhaitons. C'est quelque chose qui est impossible avec des matériaux en vrac et cela ouvre de nouvelles perspectives pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques."