Physiciens au Centre de Physique Intégrée des Nanostructures (CINAP), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud), ont découvert un phénomène intrigant, connue sous le nom de multiplication de porteuses (CM), dans une classe de semi-conducteurs d'une finesse incroyable, propriétés exceptionnelles, et les applications possibles en électronique et en optique. Publié dans Communication Nature, ces nouvelles découvertes ont le potentiel de booster les domaines du photovoltaïque et des photodétecteurs, et pourrait améliorer l'efficacité des cellules solaires produites avec ces matériaux ultrafins jusqu'à 46%.

Une classe intéressante de matériaux 2D, les dichalcogénures de métaux de transition stratifiés de van der Waals (TMD 2-D), devraient créer la prochaine génération de dispositifs optoélectroniques, comme les cellules solaires, transistor, diodes électroluminescentes (LED), etc. Ils sont constitués de couches minces individuelles séparées par des liaisons chimiques très faibles (liaisons de van der Waals), et ont des propriétés optiques uniques, absorption lumineuse élevée, et une mobilité élevée des porteurs (électrons et trous). Au-delà de permettre l'option d'ajuster leur bande interdite en changeant la composition et l'épaisseur de la couche, ces matériaux offrent également une efficacité radiative interne ultra-élevée de> 99%, favorisé par l'élimination des imperfections de surface et une grande énergie de liaison entre les supports.

L'absorption de la lumière du soleil dans les monocouches TMD 2-D semi-conductrices atteint généralement 5 à 10 %, qui est d'un ordre de grandeur supérieur à celui de la plupart des matériaux photovoltaïques courants, comme le silicium, tellurure de cadmium, et l'arséniure de gallium. Malgré ces caractéristiques idéales, cependant, l'efficacité de conversion de puissance maximale des cellules solaires 2-D-TMD est restée inférieure à 5 % en raison des pertes au niveau des électrodes métalliques. L'équipe IBS en collaboration avec des chercheurs de l'Université d'Amsterdam a cherché à surmonter cet inconvénient en explorant le processus CM dans ces matériaux.

CM est un moyen très efficace de convertir la lumière en électricité. Un seul photon excite généralement un seul électron, laissant derrière lui un « espace vide » (trou). Cependant, il est possible de générer deux ou plusieurs paires électron-trou en particulier des semi-conducteurs si l'énergie de la lumière incidente est suffisamment grande, plus précisement, si l'énergie du photon est le double de l'énergie de la bande interdite du matériau. Alors que le phénomène CM est plutôt inefficace dans les semi-conducteurs en vrac, on s'attendait à ce qu'il soit très efficace dans les matériaux 2D, mais n'a pas été prouvé expérimentalement en raison de certaines limitations techniques, comme une synthèse TMD 2-D appropriée et une mesure optique ultrarapide. Dans cette étude, l'équipe a observé CM dans les TMD 2-D, à savoir 2H-MoTe 2 et 2H-WSe 2 cinéma, pour la première fois; une découverte qui devrait améliorer l'efficacité actuelle des cellules solaires 2-D TMD, allant même au-delà de la limite Shockley-Queisser de 33,7%.

"Nos nouveaux résultats contribuent à la compréhension fondamentale du phénomène CM en 2-D-TMD. Si l'on surmonte les pertes de contact et réussit à développer le photovoltaïque avec CM, leur efficacité de conversion de puissance maximale pourrait être augmentée jusqu'à 46%, " dit le jeune Hee Lee, directeur du CINAP. "Cette nouvelle ingénierie des nanomatériaux offre la possibilité d'une nouvelle génération de durable, et des cellules solaires flexibles.