Des matériaux pour les cellules photovoltaïques de nouvelle génération

Dans le but de réduire le coût des énergies propres et renouvelables, les chercheurs s'efforcent de concevoir de nouvelles cellules photovoltaïques qui seraient à la fois plus économiques à produire et bien plus efficaces que les cellules actuelles, généralement constituées de silicium. L'un des matériaux importants dans ces nouvelles conceptions est l'oxyde de zinc, qui sera utilisé pour collecter le courant produit par la lumière du soleil. L'oxyde de zinc (ZnO) est déjà utilisé dans de très nombreuses applications, notamment la peinture (il s'agit d'une poudre blanche), les adhésifs, les batteries ou encore les appareils électroniques. Cependant, malgré cette utilisation massive, les propriétés fondamentales du ZnO et en particulier les raisons pour lesquelles le courant perdure longtemps dans le matériau (un effet nommé « conductivité persistante ») n'étaient toujours pas comprises. L'importance du rôle de l'oxygène était connue, mais il existait plusieurs théories contradictoires quant à la manière dont ce phénomène se produit.

Pour trancher cette question, une équipe de l'Université de Manchester a utilisé la ligne de lumière TEMPO du synchrotron SOLEIL. Les chercheurs ont utilisé un laser (servant à simuler la lumière du soleil) ainsi que les rayons X de SOLEIL pour mesurer la conductivité persistante. La ligne de lumière TEMPO leur a permis de modifier la synchronisation entre le laser et les rayons X afin d'élucider la manière dont les propriétés de l'oxyde de zinc changent sur des échelles de temps de moins d'un millionième de seconde. Grâce à la nature hautement contrôlée des expériences sur TEMPO, avec entre autres l'utilisation d'un vide ultra-poussé par lequel l'atmosphère autour du ZnO était presque aussi peu dense que dans l'espace, l’équipe a réussi à prouver que la conductivité persistante était créée par la quantité d'atomes d'oxygène (ainsi que l'absence d'atomes d'oxygène !) au sein du ZnO lui-même.

La quantité d'atomes d'oxygène dans le ZnO est facilement contrôlée pendant la préparation du matériau, qui comprend un chauffage à des températures très élevées (voir la Figure 1) et un chauffage du ZnO dans une atmosphère d'oxygène. Les chercheurs ont réduit la durée de chauffage dans l'atmosphère d'oxygène de 20 à seulement 10 minutes et ont constaté que la conductivité persistante durait beaucoup plus longtemps. La manière dont le procédé permet de contrôler l'efficacité de ZnO à transmettre le courant est désormais connue, ce qui signifie que ce matériau peut être préparé pour convenir parfaitement à de nouvelles cellules photovoltaïques [1].

Figure 1. Gauche : Préparation d'un morceau d'oxyde de zinc sur la ligne de lumière TEMPO. Droite : Cristal d'oxyde de zinc (5 x 10 mm) dans la chambre d'analyse illuminée par la lumière du laser et les rayons X.

 

Les composants servant à absorber la lumière du soleil sur les cellules photovoltaïques de nouvelle génération pourraient être de minuscules particules semi-conductrices dites « boîtes quantiques » (avec des dimensions inférieures au milliardième de mètre). Les effets quantiques permettent d'absorber différentes parties du spectre de la lumière solaire en changeant simplement la taille des boîtes quantiques, qui sont en outre relativement peu coûteuses à produire. Elles peuvent aussi être conçues pour obtenir une meilleure efficacité, également grâce aux effets de la physique quantique.

Une cellule photovoltaïque de nouvelle génération utiliserait ces boîtes quantiques (QD, signifiant Quantum Dots) liées chimiquement au ZnO, qui servira à son tour à transmettre le courant électrique créé dans les boîtes. Sur TEMPO, Deux échantillons de QD ont été fixés, l'un en sulfure de plomb (PbS) et l'autre en sulfure de cadmium et séléniure de zinc (CdS/ZnSe). Dans les deux cas, les chercheurs ont observé que le seuil de conductivité survenait beaucoup plus rapidement lorsque les boîtes quantiques étaient fixées à la surface de ZnO. Ceci indique que le courant électrique créé dans les boîtes quantiques par le laser a été injecté directement dans le ZnO, correspondant exactement à l'usage prévu du système (voir la Figure 2) [2].

Figure 2. Gauche : Lorsque le laser est allumé (intervalle de temps délimité par les flèches), l'énergie de liaison des électrons de cœur atomiques se déplace (une phototension de surface, SPV). Dès que ce laser est éteint, la SPV diminue sur des échelles de temps relativement longues (une conductivité persistante). (a) présente le substrat de ZnO propre et (b) le substrat avec des QD à structure de noyau/enveloppe en CdS/ZnSe chimiquement liés. La phototension de surface totale (), la durée de vie des porteurs () et le paramètre de matériau () diminuent tous lorsque les boîtes quantiques sont fixées. Les échelles de temps mises en jeu pour le début de la SPV à t = 0 ms (lorsque le laser est allumé) deviennent plus courtes que la résolution temporelle expérimentale lorsque les boîtes quantiques sont fixées, et apparaissent comme une fonction en marche d'escalier. Ceci indique une injection directe d'électrons depuis le cœur de la boîte quantique dans la bande de conduction du substrat de ZnO (comme indiqué par le diagramme des niveaux d'énergie dans le volet de droite). Droite : Diagramme des niveaux d'énergie pour les QD de CdS/ZnSe fixés au substrat de ZnO. Les électrons sont indiqués par des cercles pleins et les trous par des cercles vides. L'énergie de la lumière laser utilisée (hv) était de 3,33 eV. Le décalage SPV dans l'énergie de liaison est causé par une réduction dans la courbure de bande (montrée ici avec le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence) au travers de la couche de déplétion lorsque l'échantillon est illuminé (lignes pointillées).  désigne le niveau de Fermi qui est ancré par les états de surface à l'équilibre [2].

Ces deux études sur la ligne de lumière TEMPO de SOLEIL ont montré comment des boîtes quantiques (peu coûteuses à fabriquer et pouvant être ajustées pour une absorption optimale de la lumière du soleil) fixées au ZnO injectent directement du courant lorsqu'elles absorbent de la lumière. Les chercheurs ont aussi découvert la manière exacte dont le ZnO pouvait être préparé afin d'obtenir la transmission de courant optimale en comprenant la cause de sa conductivité persistante. Démontrant ainsi que les boîtes quantiques fixées au ZnO pouvaient constituer un modèle idéal pour des cellules photovoltaïques de nouvelle génération.