Maximiser la lumière des appareils optoélectroniques

Les puits quantiques colloïdaux (PQC) sont au centre d'un nouveau domaine de recherche en évolution rapide dont les applications devraient permettre la réalisation de cellules photovoltaïques plus efficaces et plus rentables. Utilisés comme matériau photovoltaïque absorbant, ils ont l'avantage de présenter une énergie de rupture modulable en fonction de la taille des nanoparticules. Cette propriété leur permet d'absorber facilement différentes régions du spectre lumineux.

L'épaisseur de la couche de points quantiques est cependant limitée afin de conserver une extraction de charge efficace. De nouveaux systèmes de captation de la lumière sont donc nécessaires afin d'améliorer l'absorption lumineuse et le rendement des cellules photovoltaïques. Les nanostructures de métal plasmonique ont le potentiel d'améliorer la captation de la lumière au sein de couches ultraminces de puits quantiques colloïdaux.

Le projet PECQDPV («Plasmonically enhanced colloidal quantum dot photodetectors and photovoltaics»), financé par l'UE, a analysé les effets optiques et électriques de ces structures photoniques enchâssées dans des photodiodes ou de simples appareils photoconducteurs fabriqués à partir de puits quantiques colloïdaux structurés en couches minces de sulfure de plomb (PbS).

En utilisant des appareils photoconducteurs d'essai contenant des nanoparticules métalliques auto-assemblées de manière aléatoire dispersant fortement la lumière, les chercheurs ont pu démontrer une augmentation de 2,4 du courant photoélectrique aux longueurs d'onde voisines des pics d'excitons des points quantiques de sulfure de plomb d'une taille donnée.

Ils ont par ailleurs étudié les effets électriques générés par l'inclusion d'autres nanostructures métalliques dans ces dispositifs. Selon le métal utilisé, les chercheurs ont remarqué que le contact direct avec les nanoparticules conduisait à la suppression ou à l'amélioration du courant photoélectrique. Ces résultats sont fondamentaux pour la conception de dispositifs optoélectroniques plasmoniques basés sur les PQC.

Les chercheurs se sont également intéressés aux mécanismes physiques à l'origine du renforcement plasmonique. Ils ont pour ce faire, réalisé des simulations optiques complètes et développé des modèles analytiques simples. Lors de simulations avec des nanoparticules d'argent, les chercheurs ont montré que la distribution angulaire de la lumière dispersée était relativement étroite, réduisant d'autant la capacité totale de captation de la lumière. Des études expérimentales ont montré que le type de structure de la couche mince semi-conductrice jouait un rôle fondamental pour déterminer la quantité de captation photonique.

Pour accroître l'efficacité de captation de la lumière au-delà de celle prévue par une structure aléatoire, les chercheurs ont analysé l'action de nanostructures disposées périodiquement. Ils ont développé un modèle conceptuel capable de fournir des règles de conception simples pour l'optimisation de la captation lumineuse au sein de couches minces et réseau de diffraction 2D. Les réseaux de diffraction ont été intégrés dans les photodiodes de contact et permis d'obtenir une amélioration du courant photoélectrique d'un facteur de 3 pour les diodes à couches minces et de 1,5 pour les couches épaisses, comparés aux dispositifs plans de référence de même épaisseur.

Les partenaires du projet ont voulu améliorer l'absorption lumineuse des dispositifs à puits quantiques colloïdaux en y incorporant des nanostructures plasmoniques. Leurs travaux permettent de mieux comprendre les défis concernant le choix du matériel plasmonique et les méthodes améliorant la captation de la lumière dans un dispositif PQC de géométrie spécifique.