Un effet quantique unique a été identifié dans les nanocrystaux de silicium

GOLDEN, Colorado, July 25 /PRNewswire/ --

- Les matériaux à points quantiques pourraient améliorer l'efficacité des cellules solaires au silicium

Des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département américain de l'énergie, en collaboration avec Innovalight, Inc., ont démontré qu'un nouvel effet important appelé << Multiple Exciton Generation >> (MEG) survient avec efficacité dans les nanocrystaux de silicium. La MEG entraîne la formation de plusieurs électrons par photon absorbé.

Le silicium est le matériau semi-conducteur dominant utilisé dans les cellules solaires actuelles, représentant plus de 93 % du marché des cellules photovoltaïques. Avant cette découverte, on avait indiqué au cours des deux dernières années que la MEG se produisait uniquement dans les nanocrystaux (aussi appelés points quantiques) de semi-conducteurs qui ne sont pas utilisés dans les cellules solaires commerciales à l'heure actuelle, et qui contenaient des matériaux nuisibles à l'environnement (tels que le plomb). Ces nouveaux résultats frayent le chemin pour l'application potentielle de la MEG en vue d'optimiser considérablement l'efficacité de conversion des cellules solaires basées sur le silicium, car une plus grande quantité d'énergie solaire est convertie en électricité. Il s'agit là d'une étape majeure vers l'objectif qui est d'améliorer la rentabilité de l'énergie solaire par rapport aux sources d'énergie conventionnelles.

Dans un compte-rendu publié le 24 juillet dans la première version en ligne du << Nano Letters Journal >> de l'American Chemical Society (cf. http://pubs3.acs.org/acs/journals/doilookup?in_doi=10.1021/nl071486l), une équipe du NREL a indiqué que les nanocrystaux de silicium - ou points quantiques - fournis par Innovalight peuvent produire plusieurs électrons à partir de photons de lumière solaire individuels dont les longueurs d'onde sont inférieures à 420 nm. Quand les cellules solaires photovoltaïques actuelles absorbent un photon de lumière solaire, environ 50 % de l'énergie incidente est perdue sous forme de chaleur. La MEG offre un moyen de convertir une partie de cette énergie perdue sous forme de chaleur en électricité supplémentaire.

Les nanocrystaux de silicium produits par Innovalight, Inc., un développeur de cellules solaires en couche mince basé à Santa Clara, en Californie, ont été étudiés au NREL dans le cadre d'une collaboration entre les scientifiques du NREL et ceux d'Innovalight. L'équipe du NREL était constituée de Matthew C. Beard, Kelly P. Knutsen, Joseph M. Luther, Qing Song, Wyatt Metzger, Randy J. Ellingson et Arthur J. Nozik.

Les résultats constituent une extension importante de la gamme des matériaux semi-conducteurs qui présentent une MEG et confirment les travaux innovants réalisés par Nozik, qui, en 1997, a prédit que les points quantiques à semi-conducteurs pouvaient présenter une multiplication d'électrons efficace et donc augmenter l'efficacité des cellules solaires.

Á ce jour, toutes les expériences indiquant la production de plus d'un électron par photon absorbé ont été basées sur divers types de spectroscopie optique. Dans un dispositif à cellules solaires, il faut extraire les électrons produits dans les points quantiques et les faire passer à travers un circuit externe pour produire de l'électricité. Ces expériences sont actuellement en cours au NREL, chez Innovalight et dans d'autres laboratoires dans le but de démontrer que la MEG peut effectivement améliorer l'efficacité des cellules solaires. Les calculs réalisés au NREL par Mark Hanna et Nozik ont indiqué que l'efficacité théorique maximale des cellules solaires à point quantique présentant une MEG optimale est d'environ 44 % avec une lumière solaire normale non concentrée et 68 % avec une lumière solaire concentrée par un facteur de 500 au moyen de lentilles ou de miroirs spéciaux. Les cellules solaires conventionnelles actuelles qui produisent un seul électron par photon présentent des efficacités maximales de 33 % et 40 %, respectivement, sous des conditions solaires identiques.

Outre l'extraction efficace des électrons des points quantiques dans les cellules solaires, les recherches futures ont pour objectif de produire une MEG à des longueurs d'onde qui chevauchent davantage le spectre solaire, et de produire un déclenchement nettement plus pointu des processus MEG avec une longueur d'onde décroissante des photons.

Le NREL est le plus important laboratoire national de recherche et de développement sur les énergies renouvelables et l'efficacité énergétique du Département américain de l'énergie. Les recherches du NREL ont été financées par l'Office of Science, l'Office of Basic Energy Sciences, la Division of Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences du Département américain de l'énergie. Le NREL est géré par Midwest Research Institute et Battelle pour le Département américain de l'énergie. NR20-07

Pour de plus amples informations, veuillez consulter: http://www.nrel.gov et http://www.innovalight.com.

Site Web : http://innovalight.com http://www.nrel.gov