Une cellule solaire à point quantique (QDSC) est une conception de cellule solaire qui utilise des points quantiques comme matériau photovoltaïque absorbant. Il tente de remplacer les matériaux en vrac tels que le silicium, le séléniure de gallium-indium (CIGS) ou le CdTe. Les points quantiques ont des bandes interdites ajustables sur une large gamme de niveaux d’énergie en modifiant leur taille. Dans les matériaux en vrac, la bande interdite est fixée par le choix du ou des matériaux. Cette propriété rend les points quantiques attrayants pour les cellules solaires à jonctions multiples, où divers matériaux sont utilisés pour améliorer l’efficacité en récoltant de multiples portions du spectre solaire.

À partir de 2016, l’efficacité dépasse 10%.

Contexte

Concepts de cellules solaires
Dans une cellule solaire conventionnelle, la lumière est absorbée par un semi-conducteur, produisant une paire électron-trou (eh); la paire peut être liée et est appelée exciton. Cette paire est séparée par un champ électrique interne (présent dans les jonctions pn ou les diodes Schottky) et le flux d’électrons et de trous qui en résulte crée un courant électrique. Le champ électrique interne est créé en dopant une partie de l’interface semi-conductrice avec des atomes qui agissent comme donneurs d’électrons (dopage de type n) et un autre avec des accepteurs d’électrons (dopage de type p) qui résulte en une jonction pn. La génération d’une paire eh nécessite que les photons aient une énergie supérieure à la bande interdite du matériau. En effet, les photons dont l’énergie est inférieure à la bande interdite ne sont pas absorbés, tandis que ceux qui sont plus élevés peuvent rapidement (en 10 à 13 secondes environ) se thermaliser sur les bords de la bande, ce qui réduit la production. La première limitation réduit le courant, tandis que la thermalisation réduit la tension. En conséquence, les cellules à semi-conducteurs subissent un compromis entre la tension et le courant (ce qui peut être en partie atténué en utilisant des mises en œuvre à jonctions multiples). Le calcul détaillé de la balance montre que cette efficacité ne peut dépasser 31% si l’on utilise un seul matériau pour une cellule solaire.

L’analyse numérique montre que l’efficacité de 31% est obtenue avec une bande interdite de 1,3-1,4 eV, correspondant à la lumière dans le proche infrarouge. Cette bande interdite est proche de celle du silicium (1,1 eV), une des nombreuses raisons pour lesquelles le silicium domine le marché. Cependant, l’efficacité du silicium est limitée à environ 29%. Il est possible d’améliorer une cellule à simple jonction en empilant verticalement des cellules avec des bandes interdites différentes, appelées approche « en tandem » ou « multi-jonction ». La même analyse montre qu’une cellule à deux couches devrait avoir une couche accordée à 1,64 eV et l’autre à 0,94 eV, fournissant une performance théorique de 44%. Une cellule à trois couches doit être réglée sur 1,83, 1,16 et 0,71 eV, avec une efficacité de 48%. Une cellule de type « couche infinie » aurait un rendement théorique de 86%, les autres mécanismes de perte thermodynamique représentant le reste.

Les méthodes traditionnelles de préparation du silicium (cristallin) ne se prêtent pas à cette approche en raison du manque de syntonisation de la bande interdite. Les couches minces de silicium amorphe qui, en raison de la nécessité détendue de préserver la quantité de mouvement des cristaux, peuvent réaliser des bandes interdites et des mélanges de carbone directs, peuvent accorder la bande interdite. La plupart des structures à cellules en tandem sont basées sur des semi-conducteurs plus performants, notamment l’arséniure d’indium et de gallium (InGaAs). Les cellules InGaAs / GaAs / InGaP à trois couches (bandes interdites 0,94 / 1,42 / 1,89 eV) conservent le record d’efficacité de 42,3% pour les exemples expérimentaux.

Cependant, les QDSC souffrent d’une faible absorption et la contribution de l’absorption lumineuse à température ambiante est marginale. Cela peut être résolu en utilisant des nanostars Au multibranches.

Points quantiques
Les points quantiques sont des particules semi-conductrices qui ont été réduites au-dessous de la taille du rayon Exciton Bohr et, en raison de considérations de mécanique quantique, les énergies électroniques qui peuvent exister deviennent des énergies finies, très semblables dans un atome. Les points quantiques ont été appelés « atomes artificiels ». Ces niveaux d’énergie sont accordables en modifiant leur taille, ce qui définit à son tour la bande interdite. Les points peuvent être développés sur une gamme de tailles, ce qui leur permet d’exprimer une variété de bandes interdites sans changer le matériau sous-jacent ou les techniques de construction. Dans les préparations classiques de chimie humide, l’accord est réalisé en faisant varier la durée de synthèse ou la température.

La possibilité d’ajuster la bande interdite rend les points quantiques souhaitables pour les cellules solaires. Les implémentations à jonction unique utilisant des points quantiques colloïdaux (CQD) au sulfure de plomb (PbS) ont des bandes interdites qui peuvent être accordées dans l’infrarouge lointain, fréquences qui sont généralement difficiles à atteindre avec les cellules solaires traditionnelles. La moitié de l’énergie solaire atteignant la Terre se trouve dans l’infrarouge, la plupart dans le proche infrarouge. Une cellule solaire à point quantique rend l’énergie infrarouge aussi accessible que toute autre.

De plus, CQD offre une synthèse et une préparation faciles. Tandis qu’ils sont suspendus sous forme de liquide colloïdal, ils peuvent être facilement manipulés tout au long de la production, avec la fumée comme équipement le plus complexe nécessaire. CQD sont généralement synthétisés en petits lots, mais peuvent être produits en série. Les points peuvent être distribués sur un substrat par spin coating, soit à la main, soit de manière automatisée. La production à grande échelle pourrait utiliser des systèmes de pulvérisation ou d’impression au rouleau, réduisant ainsi considérablement les coûts de construction des modules.

Production
Les premiers exemples utilisaient des procédés d’épitaxie par jets moléculaires coûteux. Cependant, la non-concordance du réseau entraîne une accumulation de déformation et donc une génération de défauts, limitant le nombre de couches empilées. La technique de croissance par épitaxie par gouttelettes montre ses avantages sur la fabrication de DQ sans contrainte. En variante, des méthodes de fabrication moins coûteuses ont été développées ultérieurement. Celles-ci utilisent la chimie humide (pour le CQD) et le traitement ultérieur de la solution. Les solutions concentrées de nanoparticules sont stabilisées par de longs ligands hydrocarbonés qui maintiennent les nanocristaux en suspension dans la solution.

Pour créer un solide, ces solutions sont éliminées [clarification nécessaire] et les longs ligands stabilisants sont remplacés par des agents de réticulation à chaîne courte. L’ingénierie chimique de la surface des nanocristaux permet de mieux passiver les nanocristaux et de réduire les états de piège préjudiciables qui réduiraient la performance des dispositifs grâce à la recombinaison de porteurs. [Cette clarification produit une efficacité de 7,0%.

Une étude plus récente utilise différents ligands pour différentes fonctions en ajustant leur alignement de bande relatif pour améliorer les performances à 8,6%. Les cellules ont été traitées en solution dans l’air à température ambiante et ont présenté une stabilité à l’air pendant plus de 150 jours sans encapsulation.

En 2014, l’utilisation de l’iodure en tant que ligand non lié à l’oxygène a été introduite. Cela permet de maintenir des couches de type n et p stables, ce qui augmente l’efficacité d’absorption, ce qui produit un rendement de conversion de puissance pouvant atteindre 8%.

Histoire
Burnham et Duggan ont été les premiers à noter l’idée d’utiliser les points quantiques comme voie vers une efficacité élevée. À cette époque, la science des points quantiques, ou «puits», était à ses balbutiements et les premiers devenir disponible.

Efforts DSSC
Une autre cellule moderne est la cellule solaire à colorant, ou DSSC. Les DSSC utilisent une couche de TiO semblable à une éponge
2 en tant que vanne à semi-conducteur ainsi qu’une structure de support mécanique. Pendant la construction, l’éponge est remplie d’un colorant organique, typiquement de la ruthénium-polypyridine, qui injecte des électrons dans le dioxyde de titane lors de la photoexcitation. Ce colorant est relativement cher et le ruthénium est un métal rare.

L’utilisation des points quantiques comme alternative aux colorants moléculaires a été considérée dès les premiers jours de la recherche DSSC. La possibilité d’ajuster la bande interdite a permis au concepteur de sélectionner une plus grande variété de matériaux pour d’autres parties de la cellule. Des groupes collaborateurs de l’Université de Toronto et de l’École polytechnique fédérale de Lausanne ont mis au point une conception basée sur une électrode arrière directement en contact avec un film de points quantiques, éliminant l’électrolyte et formant une hétérojonction appauvrie. Ces cellules ont atteint une efficacité de 7,0%, supérieure à celle des meilleurs dispositifs DSSC à l’état solide, mais inférieure à celles basées sur les électrolytes liquides.

Multi-jonction
Le tellurure de cadmium (CdTe) est utilisé pour les cellules qui absorbent plusieurs fréquences. Une suspension colloïdale de ces cristaux est moulée par centrifugation sur un substrat tel qu’une lame de verre mince, enrobée dans un polymère conducteur. Ces cellules n’utilisaient pas de points quantiques, mais partageaient des caractéristiques telles que le moulage par rotation et l’utilisation d’un conducteur à couche mince. À de faibles échelles de production, les points quantiques sont plus chers que les nanocristaux de masse, mais le cadmium et le tellurure sont des métaux rares et hautement toxiques soumis à des fluctuations de prix.

Le Sargent Group [qui?] A utilisé du sulfure de plomb comme donneur d’électrons sensible à l’infrarouge pour produire ensuite des cellules solaires IR à rendement record. La centrifugation peut permettre la construction de cellules « en tandem » à un coût considérablement réduit. Les cellules d’origine utilisaient un substrat en or comme électrode, bien que le nickel fonctionne aussi bien.

Capture à chaud
Une autre façon d’améliorer l’efficacité consiste à capturer l’énergie supplémentaire dans l’électron lorsqu’elle est émise par un matériau à bande interdite unique. Dans les matériaux traditionnels tels que le silicium, la distance entre le site d’émission et l’électrode où ils sont récoltés est trop longue pour permettre cela; l’électron subira de nombreuses interactions avec les matériaux cristallins et le réseau cristallin, cédant cette énergie supplémentaire sous forme de chaleur. Le silicium amorphe en couches minces a été essayé comme alternative, mais les défauts inhérents à ces matériaux ont dépassé leur avantage potentiel. Les cellules à couche mince modernes restent généralement moins efficaces que le silicium traditionnel.

Les donneurs nanostructurés peuvent être coulés sous forme de films uniformes qui évitent les problèmes de défauts. Celles-ci seraient sujettes à d’autres problèmes inhérents aux points quantiques, notamment les problèmes de résistivité et de rétention de chaleur.

Excitons multiples
En 2004, le laboratoire national de Los Alamos a rapporté des preuves spectroscopiques que plusieurs excitons pouvaient être efficacement générés lors de l’absorption d’un seul photon énergétique dans une boîte quantique. Les capturer capturerait plus d’énergie au soleil. Dans cette approche, connue sous le nom de « multiplication de porteuses » (CM) ou de « génération d’excitons multiples » (MEG), le point quantique est accordé pour libérer plusieurs paires électron-trou à une énergie inférieure au lieu d’une paire à haute énergie. Cela augmente l’efficacité grâce à un photocourant accru. Les points LANL ont été fabriqués à partir de séléniure de plomb.

En 2010, l’Université du Wyoming a démontré une performance similaire en utilisant des cellules DCCS. Les points plomb-soufre (PbS) ont démontré une éjection à deux électrons lorsque les photons entrants avaient environ trois fois l’énergie de la bande interdite.

En 2005, NREL a démontré la MEG en points quantiques, produisant trois électrons par photon et une efficacité théorique de 65%. En 2007, ils ont obtenu un résultat similaire en silicium.

Non oxydant
En 2014, un groupe de l’Université de Toronto a fabriqué et présenté un type de cellule CQD de type n utilisant le PbS avec un traitement spécial pour qu’il ne se lie pas à l’oxygène. La cellule a atteint une efficacité de 8%, soit un peu moins que le record actuel d’efficacité QD. De telles cellules créent la possibilité de cellules « enduites » non enrobées. Cependant, ces CQD de type n, stables à l’air, étaient en réalité fabriqués dans un environnement sans oxygène.

En 2014 également, un autre groupe de recherche du MIT a démontré que des cellules solaires ZnO / PbS stables à l’air ont été fabriquées à l’air et ont atteint un rendement record certifié de 8,55% (9,2% en laboratoire). le bord de la cellule. Ces cellules montrent une stabilité de l’air sans précédent pour les cellules solaires à points quantiques, dont les performances sont restées inchangées pendant plus de 150 jours de stockage dans l’air.