Les électrons piégés dans le silicium pendant des picosecondes ouvrent de nouvelles voies pour améliorer les performances photovoltaïques

Les électrons piégés dans le silicium pourraient être la clé pour optimiser l’efficacité des cellules solaires. Une étude menée par IMDEA Nanociencia a découvert qu'après excitation par la lumière, de nombreux électrons sont temporairement retenus dans les défauts de surface avant de générer un courant électrique.

La découverte, publiée dans Examen physique Brévèle un « goulot d’étranglement » inattendu de phonons qui retarde la conductivité électrique de quelques picosecondes. Comprendre ce phénomène pourrait ouvrir la voie à de nouvelles stratégies pour améliorer les dispositifs photovoltaïques et la récupération de l'énergie solaire.

En étudiant la réaction des électrons lorsque la lumière frappe le silicium, les scientifiques ont observé qu'une fraction importante des électrons excités par les photons se retrouvaient temporairement piégés dans des états de surface peu profonds pendant quelques picosecondes avant de libérer leur énergie et de contribuer au courant électrique.

Cet effet n'avait pas encore été détecté dans les excitations à faible énergie typiques de la lumière solaire.

Électrons piégés dans le silicium : le phénomène microscopique qui influence l'énergie solaire

Une étude IMDEA Nanoscience découvre un goulot d'étranglement de phonons qui retarde la conductivité électrique dans un matériau clé de l'énergie solaire

Une étude menée par des chercheurs de l'IMDEA Nanociencia a révélé que les électrons photoexcités sont « temporairement piégés » dans l'un des matériaux les plus importants pour capter l'énergie solaire, le silicium, qui serait essentiel pour optimiser davantage les performances des cellules solaires.

L'étude, publiée dans la revue « Physical Review B », est le résultat d'une collaboration entre des chercheurs de l'Institut d'études avancées en nanosciences de Madrid (Espagne) et de l'Institut Max Planck de recherche sur les polymères (Allemagne), qui ont découvert ce « bourrage » inattendu pour les électrons.

Un goulot d’étranglement inattendu en matière de phonons

Les chercheurs expliquent que lorsque la lumière frappe le silicium, l’un des matériaux les plus importants pour capter l’énergie solaire, elle excite les électrons, leur permettant de se déplacer librement et de générer du courant électrique.

Contrairement à d'autres matériaux, le silicium a non seulement besoin de photons pour déclencher ce processus, mais nécessite également l'aide de phonons (vibrations du réseau cristallin), comme le note IMDEA Nanociencia dans une note.

Comprendre exactement avec quelle rapidité et quelle efficacité ce processus se produit est essentiel pour améliorer les dispositifs optoélectroniques à base de silicium, même si, même dans un matériau aussi étudié, certains des processus ultrarapides qui contrôlent le flux d'énergie à un niveau microscopique sont encore inconnus.

La première preuve expérimentale avec des excitations à faible énergie

Dans cette nouvelle étude, des chercheurs des instituts IMDEA Nanoscience et MPIP ont utilisé la spectroscopie térahertz résolue dans le temps pour observer le comportement des électrons immédiatement après que le silicium soit excité par la lumière.

Pour sonder la photogénération des porteurs de charge dans tout l’échantillon, ils ont excité le silicium à l’aide de photons infrarouges proches de la bande interdite (c’est-à-dire le bord d’absorption).

De manière inattendue, au lieu d’une augmentation immédiate de la conductivité électrique, comme le prédit la théorie standard, ils ont observé une réponse retardée qui a duré quelques picosecondes.

Une analyse détaillée a ensuite révélé qu'une grande partie des électrons était temporairement piégée dans des états de défauts de surface près du bord de la bande avant d'être libérée dans la bande de conduction par absorption de phonons.

« Ce que nous avons observé était un accident », explique l'un des auteurs de l'étude, Enrique Cánovas, qui s'attendait à « une réponse instantanée », mais a constaté « que les électrons faisaient une pause ».

Les chercheurs ont identifié la cause comme un goulot d'étranglement de phonons : un manque temporaire de vibrations du réseau (phonons) nécessaires pour que les électrons s'échappent de ces pièges peu profonds.

Bien que les goulots d'étranglement des phonons soient bien connus lors de l'excitation du silicium avec des électrons de haute énergie, il s'agit de la première preuve expérimentale que cet effet peut également se produire avec des excitations de faible énergie générées à proximité, voire en dessous, de la bande interdite.

De nouvelles questions sur l’interaction entre la lumière infrarouge et le silicium

Une analyse détaillée a ensuite révélé qu'une grande partie des électrons était temporairement piégée dans des états de défauts de surface près du bord de la bande avant d'être libérée dans la bande de conduction par absorption de phonons.

Cette découverte fournit de nouvelles informations sur la manière dont les électrons sont photogénérés dans le silicium et pourrait avoir des implications sur l'efficacité avec laquelle les matériaux absorbent la lumière dans les dispositifs photovoltaïques réels.

Les résultats soulèvent de nouvelles questions sur la façon dont la lumière infrarouge à faible énergie interagit avec le silicium et sur la question de savoir si ce goulot d'étranglement transitoire pourrait être exploité – ou atténué – pour optimiser davantage les performances des cellules solaires.

Bien qu’il s’agisse encore de données scientifiques fondamentales, ces résultats élargissent les possibilités d’optimisation des dispositifs photovoltaïques basés sur le matériau dominant sur le marché et renforcent l’importance d’explorer les détails microscopiques de la conversion de la lumière en électricité pour de futures améliorations technologiques. Continuez à lire dans ÉNERGIE RENOUVELABLE.

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