Cellules solaires graphène à haut rendement : 9 % de conversion avec dopage TFSA

Graphène : un matériau 2-D unique

Le graphène est une feuille de carbone monoatomique arrangée en réseau nid d'abeille. Ses électrons se déplacent à des vitesses quasi-relativistes, se comportant comme des particules de Dirac sans masse. Cela donne au graphène une conductivité électrique exceptionnelle, une résistance mécanique et une transparence optique complète, lui permettant d'absorber la lumière sur tout le spectre visible.

Cellules solaires à base de graphène

Les premiers dispositifs photovoltaïques à base de graphène offraient des rendements modestes — autour de 1,9 %. Des travaux récents de l'Université de Floride à Gainesville ont changé la donne. En incorporant le dopant organique amide trifluorométhanesulfonyl (TFSA) dans la couche de graphène, les chercheurs ont atteint un rendement record de 9 % en conversion de puissance, près de cinq fois supérieur aux cellules non dopées.

Structure du dispositif

Les cellules consistent en une feuille de graphène dopée TFSA transférée sur un wafer de silicium de haute qualité pour former une jonction Schottky graphène/silicium. Comme le graphène est transféré délicatement, l'interface reste pristine ; tout désordre agirait comme piège à charges, raccourcissant la durée de vie des porteurs et réduisant le rendement. Une interface propre préserve le fort champ électrique nécessaire à une séparation de charge efficace.

Fonctionnement

Lorsque la lumière solaire frappe la cellule, les photons génèrent des paires électron-trou. La barrière Schottky entre graphène et silicium sépare ces porteurs : les électrons se déplacent dans le silicium tandis que les trous restent dans le graphène. Des électrodes attachées à chaque matériau collectent les charges, produisant un courant électrique.

Le dopage du graphène avec TFSA décale son niveau de Fermi, ce qui renforce à son tour le champ électrique à travers la jonction. Ce champ plus fort accélère la séparation et la collecte des porteurs, conduisant à l'augmentation substantielle de la puissance de sortie.