La lumière du soleil récoltée par des nanotubes

Depuis des décennies, la mise au point d’un moyen efficace et peu coûteux de convertir la lumière du soleil en électricité a été à la pointe de la recherche, des sciences physiques à l’ingénierie. Habituellement, les dispositifs de récupération de l'énergie solaire, appelés cellules solaires, sont constitués de semi-conducteurs tels que le silicium. Dans ces dispositifs, une énergie électrique est générée à la jonction entre deux types de matériau semi-conducteur. Cependant, l'efficacité des cellules solaires à base de jonctions a presque atteint sa limite théorique et il est donc impératif d'explorer des méthodes permettant de convertir la lumière solaire en électricité ne nécessitant pas de jonction semi-conductrice. , Zhang et al. signaler une avancée clé dans cette direction. Ils démontrent une cellule solaire sans jonction qui est produite en enroulant une couche semi-conductrice épaisse d’atome en un tube à l’échelle nanométrique.

Dans une cellule solaire classique, différents éléments chimiques sont ajoutés à deux régions d'un semi-conducteur dans le cadre d'un processus appelé dopage. Le transport électrique se produit à travers des électrons chargés négativement dans une région et à travers des lacunes électroniques chargées positivement, appelées trous, dans l'autre. Un champ électrique est généré à la jonction entre ces deux régions. Lorsque la lumière du soleil est absorbée à cette jonction, des paires électron-trou sont produites. Les électrons et les trous sont ensuite séparés par le champ électrique, ce qui crée un courant électrique (Fig. 1a). Cette conversion de l'énergie solaire en électricité est connue sous le nom d'effet photovoltaïque.

Zhang et ses collègues ont fabriqué des cellules solaires sans jonction à l'aide du bisulfure de tungstène semi-conducteur. Les cristaux de ce matériau ont une structure en couches et peuvent être décollés couche par couche de la même manière que le graphite. Les feuilles d'épaisseur d'atome résultantes peuvent ensuite être laminées par des méthodes chimiques dans des tubes ayant des diamètres d'environ 100 nanomètres. Les auteurs ont fabriqué des dispositifs à partir de trois types de disulfure de tungstène: une monocouche, une bicouche et un nanotube (voir la figure 1a du document).).

Les auteurs ont constaté que, alors que les dispositifs monocouches et bicouches généraient un courant électrique négligeable sous illumination, le dispositif à nanotubes présentait un effet photovoltaïque important. Étant donné que ces trois types de cellules solaires ont la même identité chimique uniforme, comment le dispositif à nanotubes convertit-il la lumière en électricité sans l'aide d'une jonction? Et pourquoi cette capacité est-elle absente dans les dispositifs monocouches et bicouches? Zhang et al. signalent un phénomène appelé effet photovoltaïque de masse (BPVE), et attribuent la diversité des performances des cellules solaires à leurs symétries cristallines distinctives. Le BPVE peut générer spontanément un courant dans un semi-conducteur uniforme, sans nécessiter de jonction (Fig. 1b).

Le BPVE a été observé pour la première fois aux laboratoires Bell dans le New Jersey en 1956, deux ans seulement après l'invention des cellules solaires modernes en silicium. L'effet est limité aux matériaux non centrosymétriques, qui se caractérisent par un manque de symétrie sous inversion spatiale (combinaison d’une rotation de 180 ° et d’une réflexion). Le BPVE présente deux caractéristiques intéressantes: le courant généré par la lumière dépend de la polarisation de la lumière incidente et la tension associée est supérieure à la bande interdite du matériau (l’énergie nécessaire pour exciter les électrons libres conducteurs). Cependant, l’effet a une efficacité de conversion généralement faible, et est donc resté d’un intérêt académique plutôt que pratique au fil des ans.

Pour atteindre une efficacité BPVE élevée, un matériau doit avoir une absorption de lumière élevée et une symétrie interne faible. Cependant, ces deux propriétés ne coexistent généralement pas dans un matériau donné. Les semi-conducteurs qui absorbent la plupart des rayons du soleil ont généralement une symétrie élevée, ce qui diminue voire empêche le BPVE. Et les matériaux courants qui ont une faible symétrie, tels que les composés appelés oxydes de pérovskite, absorbent peu de soleil en raison de leur large bande interdite. Pour contourner ce problème, des efforts considérables ont été déployés pour améliorer l'absorption de la lumière dans les matériaux à faible symétrie, par exemple en utilisant du dopage.. Dans le même temps, il a été démontré que le BPVE peut être activé dans les semi-conducteurs quand il est par ailleurs interdit, en utilisant des champs mécaniques pour personnaliser la symétrie cristalline du matériau..

Les travaux de Zhang et de ses collègues attirent l’attention sur une approche jusque-là inexplorée: la mise au point de semi-conducteurs hautement absorbants en nanotubes. Dans le cas du disulfure de tungstène, la symétrie cristalline du nanotube est réduite par rapport à celle de la monocouche et de la bicouche, en raison des parois incurvées du tube. La combinaison d'une excellente absorption de la lumière et d'une faible symétrie cristalline signifie que le nanotube présente un BPVE substantiel. La densité du courant électrique associé au BPVE dépasse celle des matériaux à symétrie intrinsèque faible, même si l'efficacité de conversion du BPVE est encore très inférieure à celle de l'effet photovoltaïque par jonction dans les cellules solaires classiques.

Les résultats des auteurs démontrent le grand potentiel des nanotubes dans la récupération de l’énergie solaire et soulèvent plusieurs défis technologiques et questions scientifiques. Du point de vue des applications, il serait instructif de fabriquer et de caractériser une cellule solaire composée d’un réseau de nanotubes semi-conducteurs, afin de vérifier la faisabilité de l’extension de l’approche. La direction du courant généré par le BPVE dans chaque nanotube serait en grande partie déterminée par la symétrie interne du matériau. Par conséquent, une symétrie uniforme sur le réseau de nanotubes serait nécessaire pour collecter un courant collectif à partir de la cellule solaire. Dans le pire des cas, si les courants générés dans différents nanotubes étaient dans des directions opposées, ils s'annuleraient.

Une question importante mais non résolue est de savoir si le BPVE et l’effet photovoltaïque basé sur des jonctions pourraient coopérer dans la même cellule solaire afin d’améliorer le rendement global. Ces deux effets pourraient exploiter l'énergie solaire de manière successive. Néanmoins, malgré les difficultés restantes, les travaux de Zhang et de ses collègues offrent une voie possible vers la conception de cellules solaires hautement efficaces et non conventionnelles.