Des cellules photovoltaïques à puits quantique efficaces

Même si les concentrateurs photovoltaïques représentent un espoir d'amélioration des rendements de l'énergie solaire, leur coût élevé reste un obstacle à la généralisation de leur mise en œuvre. L'optimisation des performances des composants nanotechnologiques devrait permettre d'améliorer encore plus les rendements et d'accélérer l'adoption large de la technologie.

Énergie

Les concentrateurs photovoltaïques comportent des lentilles et des miroirs incurvés qui concentrent la lumière du soleil sur des cellules solaires multijonctions de petite taille, mais hautement efficaces. Il a été rapporté que ces structures hautement efficaces permettent de convertir plus de 40 % de la lumière du soleil en électricité. Cependant, un problème majeur se trouve dans l'incapacité de certaines cellules solaires d'extraire toute la puissance du Soleil à cause des grandes largeurs de bande de certains matériaux. Les cellules photovoltaïques à puits quantique, qui augmentent l'efficacité des cellules photovoltaïques en piégeant l'énergie solaire dans des puits quantiques, ont récemment été reconnues comme des composants viables pour les cellules photovoltaïques multijonctions. Les cellules photovoltaïques de ce type peuvent pallier aux limitations des cellules photovoltaïques multijonctions en permettant un réglage souple de la largeur de bande tout en conservant une structure cristalline de qualité et de bonnes propriétés optiques et électriques. Dans le cadre du projet PHOTOQWELL (Photonic optimisation of multiple quantum well structures for single and dual- junction solar cells), les chercheurs avaient pour objectif d'améliorer encore le rendement des cellules photovoltaïques à puits quantiques multiples (PQM). Les chercheurs ont réussi à développer des outils de calcul pour optimiser les performances des cellules photovoltaïques à PQM. En simulant les propriétés de transport des structures PQM, ils ont observé que les structures à puits quantique constituées de plusieurs couches présentaient un potentiel plus élevé d'absorption de la lumière. En outre, la position des puits quantiques à l'intérieur de la cellule photovoltaïque joue un rôle majeur dans le rendement de collecte des porteurs. Ce qui était peu connu jusqu'alors était la forte dépendance des propriétés PQM à la mobilité des porteurs entre puits quantiques. Une découverte intéressante qui n'avait jamais été appliquée dans le contexte des cellules photovoltaïques est que les puits quantiques fonctionnent comme des fils quantiques. Des couches minces de semi-conducteurs souffraient d'une modulation aiguë de l'épaisseur et formaient des lignes de section triangulaire dans une direction particulière. Une analyse détaillée de leurs propriétés a démontré que les porteurs photogénérés survivaient sans recombinaison pendant des périodes plus longues (d'un facteur 10) que dans les puits quantiques. En se basant sur cette découverte, les chercheurs ont envisagé d'utiliser des fils quantiques pour améliorer la collecte des porteurs. En améliorant les performances des cellules photovoltaïques PQM, les chercheurs ouvrent la voie pour de meilleurs rendements de conversion énergétique, faisant ainsi des concentrateurs photovoltaïques une option viable. En outre, les propriétés intéressantes et stimulantes des fils quantiques offrent l'opportunité d'étudier de nouveaux concepts pour les cellules photovoltaïques.