Mieux comprendre les cellules solaires à nanocristaux

Pour la prochaine génération de cellules solaires, les scientifiques s'intéressent de près aux cristaux de quelques nanomètres. Les semi-conducteurs constitués de tels nanocristaux ont d'excellentes propriétés optiques ; par rapport aux cellules solaires actuelles en silicium, ils utilisent une bien plus grande partie du spectre de la lumière solaire. Toutefois, leur développement se heurte à des obstacles : "Les cellules solaires nanocristallines sont constituées d'une multitude de cristaux indépendants liés par un liant moléculaire. Et au sein de ce matériau composite, les électrons ne circulent pas encore aussi bien que cela serait nécessaire pour une application commerciale", explique Vanessa Wood, professeure en matériaux et composants à l'ETH Zurich. Selon elle, jusqu'à présent, la physique du transport de charges dans les composites nanocristallins n'est pas encore complètement comprise, ce qui explique pourquoi il a été difficile de poursuivre le développement systématique des composites nanocristallins.

Dans une étude, Wood et ses collègues ont examiné des cellules solaires à nanocristaux qu'ils fabriquent eux-mêmes dans leur laboratoire à l'ETH Zurich, et ils ont décrit pour la première fois le flux d'électrons dans de telles cellules dans un modèle physique généralement valable. "Notre modèle prend en compte l'effet d'une modification de la taille des cristaux, du matériau cristallin ou du liant moléculaire sur le transport de charge", explique Wood. Ainsi, le modèle permettra à l'avenir à tous les scientifiques du domaine de recherche de mieux comprendre les processus physiques à l'intérieur des cellules solaires nanocristallines et de continuer à optimiser les cellules solaires.

Prometteur en raison des effets quantiques

La raison de l'enthousiasme de nombreux chercheurs en cellules solaires pour les minuscules cristaux est liée à la physique quantique : les nanocristaux font intervenir des effets de physique quantique (qui ne jouent aucun r?le dans les cristaux plus grands). Ainsi, pour les très petits cristaux, des propriétés physiques importantes dépendent de la taille du cristal. Et comme les scientifiques peuvent contr?ler cette taille au cours du processus de fabrication, ils peuvent également influencer les propriétés des semi-conducteurs nanocristallins et ainsi les orienter de manière optimale vers leur application dans la technologie solaire.

Parmi ces propriétés influen?ables figure la quantité de lumière incidente qui est absorbée par le semi-conducteur et transformée en électricité. En principe, les semi-conducteurs n'absorbent pas tout le spectre de la lumière du soleil, mais uniquement les rayonnements dont la longueur d'onde est inférieure à une longueur d'onde maximale dépendant du matériau ou - en d'autres termes - les rayonnements dont l'énergie est supérieure à ce que l'on appelle l'énergie de bande interdite. Dans la plupart des semi-conducteurs, cette limite ne peut être modifiée qu'en changeant la composition chimique des matériaux. Toutefois, dans le cas des semi-conducteurs fabriqués à partir de nanocristaux, il est également possible de modifier cette limite d'absorption en changeant la taille des cristaux. Lors de la fabrication des nanocristaux, les scientifiques peuvent donc contr?ler leur taille de manière à ce qu'ils absorbent le plus de lumière possible dans la plus grande partie possible du spectre solaire.

Autres avantages des semi-conducteurs nanocristallins : ils absorbent beaucoup plus de lumière solaire que les semi-conducteurs classiques au silicium. Le matériau semi-conducteur sulfure de plomb, que les chercheurs ont utilisé pour leur travail expérimental, a par exemple une absorption supérieure de plusieurs ordres de grandeur en comparaison. Il suffit donc d'une petite quantité de matériau pour fabriquer des cellules solaires nanocristallines. Il est donc possible de construire des cellules solaires très fines et flexibles.

Le rendement doit être augmenté

Le nouveau modèle des chercheurs de l'ETH répond à un certain nombre de questions jusqu'ici non résolues. Par exemple, il manquait jusqu'à présent une preuve expérimentale que l'énergie de la bande interdite du matériau composite nanocristallin dépendait de l'énergie de la bande interdite des nanocristaux individuels. "Nous avons maintenant démontré pour la première fois par l'expérience que c'est le cas", explique Wood.

Au cours des cinq dernières années, les scientifiques ont réussi à augmenter considérablement le rendement des cellules solaires nanocristallines, mais même les meilleures de ces cellules solaires ont encore un faible rendement : seuls neuf pour cent de l'énergie lumineuse du soleil qui atteint la cellule sont convertis en énergie électrique. "Pour pouvoir envisager une application commerciale, un rendement d'au moins 15 pour cent est nécessaire", explique Wood. Le travail de son groupe pourrait maintenant aider à augmenter le flux d'électrons à l'intérieur et à l'extérieur des cellules, à produire ainsi plus de courant et à augmenter ainsi le rendement.