Les nanotechnologies pour maîtriser les infrarouges

La plasmonique est un domaine de recherche passionnant qui progresse rapidement. La résonance de plasmons de surface localisés, observée dans les nanocristaux plasmoniques de métaux nobles, est particulièrement intéressante car elle intensifie l'interaction entre la lumière et la matière et conduit à une forte diffusion de la lumière. Cependant, elle est limitée à la lumière visible.

Des travaux récents ont montré que les nanocristaux semi-conducteurs, appauvris en cuivre, exhibent un fort effet de résonance de plasmons dans l'infrarouge proche. Cette découverte permet de décaler les pics vers des ondes plus longues que le visible, les semi-conducteurs étant ainsi transparents près de la longueur d'onde de la résonance.

Le projet NIRPLANA («Near-infrared semiconductor plasmonic nanocrystals for enhanced photovoltaics»), financé par l'UE, s'est appuyé sur cette découverte pour synthétiser et intégrer des nanocristaux plasmoniques dans des cellules photovoltaïques en couche mince. Ces travaux devraient ouvrir la voie à des cellules solaires capables de capter l'énergie des infrarouges, ce que ne peuvent faire la plupart des cellules actuelles.

Les scientifiques ont mis au point divers nanocristaux plasmoniques, la covellite étant le matériau le plus prometteur pour le photovoltaïque. Le contrôle de l'épaisseur et du diamètre de ces cristaux a permis d'accorder l'amplitude de la résonance de plasmons, particulièrement élevée autour des ondes de 1 micromètre.

Ils ont aussi synthétisé trois matériaux pour la couche absorbante. La limite d'absorption de nanocristaux plomb-sulfure s'est avérée similaire à l'amplitude des nanocristaux de covellite. Pour le tellurure de cadmium, il faut encore réaliser des nanocristraux plasmoniques plus adaptés.

Les scientifiques ont utilisé des ligands plus courts pour remplacer les ligands organiques à longue chaîne, fixés à la surface des nanocristaux pendant la synthèse, afin d'améliorer le transport des charges dans la cellule solaire. En outre, ils ont déterminé une méthode convenant pour préparer des couches minces de points quantiques avec des ligands soufrés minéraux, en vue de les intégrer dans des cellules solaires à points quantiques. Ils ont mis au point une procédure pour préparer dans l'air des cellules solaires de nanocristaux plomb-sulfure, avec un rendement de conversion d'environ 0,5 %.

Les résultats du projet peuvent orienter de nouvelles directions de synthèse et de traitement des nanocristaux, ainsi que d'applications pour la collecte d'énergie solaire. Capables de fonctionner sur un spectre lumineux plus large, les cellules solaires à base de nanocristaux pourraient représenter une solution de remplacement économique aux techniques actuelles.