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Le secret des cellules solaires à points quantiques : comment briser la limite d'efficacité des cellules au silicium traditionnelles ?
Alors que la demande mondiale en énergie renouvelable continue d’augmenter, le développement de la technologie des cellules solaires s’améliore également constamment. Parmi les nombreuses technologies émergentes, les cellules solaires à points quantiques (QDSC) ont attiré une attention généralisée en raison de leur efficacité supérieure et de leur potentiel de faible coût. Cette technologie a non seulement le potentiel de dépasser les limites d’efficacité des cellules au silicium traditionnelles, mais elle a également le potentiel d’élargir considérablement le champ d’application de l’énergie solaire.
Caractéristiques et applications des points quantiques
Les points quantiques sont de minuscules particules qui ont été réduites à un rayon inférieur à celui de Bohr d'une particule semi-conductrice. Cela fait que les états d’énergie des électrons au sein du point quantique ne sont plus continus mais discrets, de manière similaire aux niveaux d’énergie des atomes. Cette propriété permet d'ajuster la bande interdite du point quantique en ajustant la taille de la particule, ce qui lui permet d'absorber efficacement différentes longueurs d'onde de lumière. Étant donné qu’environ la moitié de l’énergie du spectre solaire se situe dans la région infrarouge, les cellules solaires à points quantiques peuvent utiliser efficacement cette ressource.
Les propriétés de bande interdite réglable des points quantiques permettent de concevoir des cellules solaires multijonctions, ce qui signifie que nous pouvons utiliser différents matériaux pour optimiser les performances de la cellule.
Repousser les limites de l'efficacité
Selon les recherches existantes, l’efficacité de conversion du QDSC a dépassé 18,1 %. On estime que son potentiel futur lui permettra d’atteindre une efficacité thermodynamique maximale d’environ 66 % pour la conversion de la lumière solaire. Cela est dû au fait que les points quantiques sont capables d’utiliser la chaleur pour générer des porteurs, ce qui produit une phototension ou un photocourant plus élevé. Cette propriété rend les cellules solaires à points quantiques inégalées en termes d’efficacité.
Avantages de la technologie multi-jonction
Les cellules solaires multijonctions conventionnelles utilisent différents matériaux semi-conducteurs pour optimiser l’efficacité d’absorption de différentes longueurs d’onde de lumière. Cependant, cette méthode présente des coûts de production élevés et des exigences techniques élevées. En revanche, les points quantiques, grâce à leur bande interdite réglable, peuvent réaliser des structures multi-jonctions de manière plus économique, ce qui offre la possibilité de réduire les coûts de fabrication.
Les points quantiques sont considérés comme la clé de la technologie solaire de troisième génération, aidant les cellules solaires à dépasser les limites d'efficacité.
Capture de porteurs chauds et génération d'excitons multiples
Dans les QDSC, le piégeage des porteurs chauds est une approche possible pour améliorer l'efficacité. Lorsque des photons à haute énergie frappent un point quantique, plusieurs excitons peuvent être générés au lieu d’une seule paire électron-trou. Ce phénomène, appelé génération d'excitons multiples (MEG), contribue à améliorer l'efficacité du courant. Des recherches ont montré que jusqu’à trois électrons peuvent être générés à l’intérieur d’un point quantique, plutôt que de s’appuyer uniquement sur la génération d’un seul exciton, ce qui signifie une meilleure efficacité d’utilisation de l’énergie.
En exploitant le phénomène unique de confinement quantique dans les points quantiques, nous sommes en mesure de capturer l’énergie solaire plus efficacement.
Défis de fabrication et de mise en pratique
Bien que les points quantiques aient un grand potentiel, ils sont encore confrontés à des défis dans leurs applications pratiques. Les premières cellules solaires à points quantiques reposaient sur une technologie coûteuse d’épitaxie par faisceaux moléculaires, ce qui limitait la possibilité de production de masse. Cependant, avec les progrès de la nanotechnologie, la stratégie consistant à utiliser des méthodes chimiques humides pour synthétiser des points quantiques a progressivement remplacé la technologie traditionnelle, faisant de la production de masse une réalité.
Perspectives commerciales et perspectives d'avenir
Alors que les avantages en termes d’efficacité et de coût des cellules solaires à points quantiques deviennent de plus en plus évidents, certaines start-ups ont commencé à les commercialiser. Par exemple, Quantum Materials Corp. et QD Solar se concentrent tous deux sur le développement de la technologie des cellules solaires à points quantiques et s’efforcent de la rendre commercialement viable. Cela suggère que la technologie des points quantiques pourrait devenir un élément important du futur marché de l’énergie solaire.
Grâce à des recherches continues et à des progrès technologiques, les points quantiques ont le potentiel de devenir une solution énergétique pour chaque foyer.
Considérations relatives à la sécurité et à l'environnement
Bien que la technologie des points quantiques promette d’apporter des avancées dans le domaine des énergies renouvelables, les problèmes environnementaux ne peuvent être ignorés. Bon nombre de ces points quantiques à base de métaux lourds, comme les composés contenant du plomb et du cadmium, sont biotoxiques et doivent être protégés de l’exposition par une coque polymère stable. Les chercheurs explorent donc également des matériaux non toxiques tels que les points quantiques de sulfure d’antimoine d’argent (AgBiS2) et de séléniure de cuivre-indium (CuInSe2) pour formuler une technologie solaire plus sûre.
Les cellules solaires à points quantiques connaissent un développement rapide et présentent un grand potentiel pour briser les limitations traditionnelles. Cependant, à mesure que la technologie progresse, pourrons-nous assister à une adoption généralisée de la technologie des points quantiques dans un avenir proche ?
