Nano-hétérojonctions : augmentation du rendement des cellules solaires par points quantiques colloïdaux

Bases des cellules solaires

Les cellules solaires exploitent la lumière du soleil et la convertissent en électricité. La part mondiale de l'énergie solaire a crû régulièrement à mesure que plus de modules sont installés. Pourtant, l'écart entre le potentiel et l'utilisation réelle reste large. Les semi-conducteurs agissent comme absorbeurs de lumière, transformant les photons en paires électron-trou séparées par un champ électrique interne. Deux processus clés — absorption de la lumière et séparation de charge — déterminent la performance. La longévité des porteurs minoritaires et la mobilité des porteurs sont critiques pour un haut rendement. Les modules commerciaux atteignent actuellement 12-20 % de rendement, tandis que les cellules inorganiques à jonction unique de pointe atteignent 20-25 % — un plateau persistant depuis la dernière décennie.

Les cellules inorganiques traitées en solution basées sur points quantiques colloïdaux et nanocristaux offrent une voie prometteuse. Leurs bandes interdites accordables permettent l'absorption sur un large spectre, et leur fabrication peu coûteuse est attractive pour le déploiement à grande échelle. L'incorporation de multiples puits quantiques, super-réseaux ou points quantiques dans des architectures photovoltaïques peut théoriquement élever le rendement bien au-delà des dispositifs à semi-conducteurs massifs conventionnels. Les structures donneur-accepteur en forme de nanorods présentent aussi une performance stable dans l'air ambiant, bien que des défis persistent pour combler l'écart entre rendements idéalisés et réels.

Les cellules solaires donneur-accepteur fabriquées entièrement à partir de nanocristaux inorganiques spin-coatés depuis solution emploient des hétérojonctions nanorods CdTe/CdSe. Chaque nanocristal ultramince (~100 nm) est déposé depuis une solution de pyridine filtrée, produisant des films minces, flexibles, de grande surface densément remplis de nanocristaux sur pratiquement n'importe quel substrat.

Des chercheurs espagnols ont été pionniers d'une méthode qui prolonge la durée de vie des porteurs de charge dans les cellules solaires à nanocristaux colloïdaux en ingéniant des nano-hétérojonctions composées de nanomatériaux accepteurs et donneurs d'électrons. Cette stratégie délivre des rendements quantiques élevés même en utilisant des matériaux photovoltaïques aux propriétés optoélectroniques sous-optimales. Les cristaux à base de cadmium ont été choisis car leurs porteurs persistent plus longtemps.

En créant une nano-hétérojonction en volume, l'équipe a mélangé matériaux accepteur et donneur de sorte qu'à l'illumination, les paires électron-trou photogénérées se séparent à l'échelle nanométrique et traversent le dispositif le long de deux voies distinctes. Cette architecture réduit la probabilité de recombinaison. Bien que le rendement de conversion de puissance résultant soit légèrement inférieur à celui des cellules record à points quantiques PbS associées à des électrodes n-type titania, le travail démontre une preuve de principe. Contrairement aux études antérieures reposant sur des accepteurs oxydes pulvérisés ou frittage haute température (>500 °C), ce procédé en solution, sous-100 °C, offre des avantages tangibles pour la fabrication rouleau-à-rouleau à faible coût.