Les États-Unis développent un nouveau matériau de cellule photovoltaïque quantique avec un taux d'absorption photovoltaïque moyen de 80 %

Selon les médias étrangers, des chercheurs de l'Université Lehigh des États-Unis, dans un rapport de recherche récemment publié, ont affirmé avoir développé un nouveau matériau absorbant les cellules photovoltaïques à couche mince, dont le taux d'absorption photovoltaïque moyen serait de 80%, son efficacité quantique externe (EQE) de 190 %.

L'efficacité quantique externe (EQE) est le rapport entre le nombre d'électrons collectés par une cellule photovoltaïque et le nombre de photons incidents. Il définit la capacité d'une cellule photovoltaïque à convertir des photons en courant électrique. Chinedu Ekuma, l'un des principaux auteurs de l'étude, a déclaré dans un communiqué : « Dans les cellules photovoltaïques conventionnelles, le rendement quantique externe le plus élevé (EQE est de 100 %), ce qui représente la production et la collecte d'un électron pour chaque photon absorbé par la lumière du soleil. ".

Dans un article publié dans la revue Science Advances intitulé « États de bande intermédiaire chimiquement accordés de matériaux quantiques CuxGeSe/SnS atomiquement épais pour les applications photovoltaïques », les chercheurs expliquent que le nouveau matériau quantique pourrait être une solution idéale pour les cellules photovoltaïques à bande intermédiaire (IBSC). .

De telles cellules photovoltaïques ont le potentiel de dépasser la limite de Shockley-Quayser (limite SQ) - l'efficacité théorique maximale pouvant être atteinte par une cellule photovoltaïque avec une seule jonction pn. Il est calculé en examinant la quantité d’énergie électrique extraite de chaque photon incident.

Les chercheurs expliquent : « L'augmentation rapide de l'efficacité de ce matériau est en grande partie due à ses « états de bande intermédiaire » uniques, des niveaux d'énergie spécifiques situés dans la structure électronique du matériau qui le rendent idéal pour la conversion photovoltaïque. la sous-bande interdite optimale - la plage d'énergie dans laquelle le matériau peut absorber efficacement la lumière du soleil et générer des porteurs de charge.

Le nouveau matériau est un matériau bidimensionnel de Van der Waals (vdW), ce qui signifie qu'il possède une structure planaire cristalline maintenue par des liaisons ioniques. Il se compose d’une hétérostructure de germanium (Ge), de sélénium (Se) et de sulfure d’étain (Sns) avec des atomes de cuivre zéro-valents (Cu) insérés dans les couches de matériau.

Le matériau quantique CuxGeSe/SnS a une bande interdite d'énergie intermédiaire comprise entre 0,78 eV et 1,26 eV. Profitant de cela, les chercheurs ont conçu et modélisé une cellule photovoltaïque à couche mince utilisant le matériau comme couche active.

Dans cette modélisation, la cellule photovoltaïque utilise un substrat en oxyde d'étain et d'indium (ITO), une couche de transport d'électrons (ETL) à base d'oxyde de zinc (ZnO), une couche absorbante CuxGeSe/SnS et des contacts en or (Au). Le chercheur junior a noté : "Dans notre conception, les épaisseurs atomiques de GeSe et SnS sont empilées verticalement, contribuant à l'intégration facile de la structure hybride via les interactions de Van der Waals."

Les résultats de la modélisation montrent que cette cellule photovoltaïque a un rendement quantique externe (EQE) de 110 % à 190 %. Les chercheurs ont également découvert que l’activité optique de la cellule photovoltaïque augmentait dans la plage de longueurs d’onde de 600 nm à 1 200 nm en mesurant l’épaisseur de l’absorbeur.

Dans leur article, les chercheurs concluent : « La réponse rapide et l'efficacité accrue de ce matériau suggèrent fortement le potentiel du GeSe/SnS inséré dans du cuivre en tant que matériau quantique pour les applications photovoltaïques avancées, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour améliorer l'efficacité de la conversion photovoltaïque. "

Pour l’avenir, les chercheurs affirment qu’ils doivent mener de nouvelles recherches pour identifier un moyen pratique d’intégrer ce nouveau matériau dans les cellules photovoltaïques. Cependant, ils soulignent également que les techniques expérimentales utilisées pour fabriquer ces matériaux sont déjà très avancées.