Une illustration d’artiste de la lumière UV déclenchant la multiplication des électrons dans du silicium noir nanostructuré

Les chercheurs de l’université d’Aalto en Finlande ont mis au point un dispositif photovoltaïque qui a un rendement quantique externe de 132 %. Cet exploit en théorie utopique a été réalisé en utilisant du silicium noir nanostructuré, et pourrait représenter une avancée majeure pour les cellules solaires et autres photodétecteurs.

Si un hypothétique dispositif photovoltaïque a un rendement quantique externe de 100 %, cela signifie que chaque photon de lumière qui le frappe génère un électron, qui sort par le circuit et est récolté sous forme d’électricité.

Ce nouveau dispositif est le premier à non seulement atteindre un rendement de 100 %, mais aussi à le dépasser. À 132 %, cela signifie que vous obtenez en moyenne 1,32 électron pour chaque photon. Il a été fabriqué en utilisant du silicium noir comme matériau actif, avec des nanostructures en forme de cônes et de colonnes, qui absorbent la lumière UV.

Il est évident que vous ne pouvez pas avoir 0,32 électron, mais en d’autres termes, vous avez 32 % de chances de générer deux électrons à partir d’un seul photon. À première vue, cela peut sembler impossible – après tout, la physique nous dit que l’énergie ne peut pas être créée à partir de rien. D’où viennent donc ces électrons supplémentaires ?

Tout se résume à la manière dont les matériaux photovoltaïques fonctionnent en général. Lorsqu’un photon de la lumière entrante frappe le matériau actif – généralement du silicium – il fait sortir un électron d’un de ses atomes. Mais dans certaines circonstances, un photon à haute énergie peut faire sortir deux électrons, sans enfreindre aucune loi de la physique.

Il va sans dire que l’exploitation de ce phénomène pourrait être extrêmement utile pour améliorer la conception des cellules solaires. Dans de nombreux matériaux photovoltaïques, l’efficacité est perdue de plusieurs façons, notamment par la réflexion des photons hors du dispositif ou par la recombinaison des électrons avec le « trou » qu’ils ont laissé dans l’atome avant de pouvoir être collectés par le circuit.

Mais l’équipe d’Aalto affirme qu’elle a largement éliminé ces obstacles. Le silicium noir absorbe beaucoup plus de photons que les autres matériaux, et les nanostructures du cône et de la colonne réduisent la recombinaison des électrons à la surface du matériau.

Ensemble, ces progrès ont permis de mettre au point un dispositif dont l’efficacité quantique externe est de 130 %. L’équipe a même fait vérifier ces résultats de manière indépendante par l’Institut national allemand de métrologie, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).

Les chercheurs affirment que cette efficacité record pourrait améliorer les performances de pratiquement tous les photodétecteurs, y compris les cellules solaires et autres capteurs de lumière, et que les nouveaux détecteurs sont déjà fabriqués pour un usage commercial.

https://journals.aps.org/prl/accepted/3b07dY27X9e1a57943f61234ffbcb06f4a5ba1ac5

https://www.aalto.fi/en/news/black-silicon-photodetector-breaks-the-100-efficiency-limit