L’approche d’ingénierie de l’encre augmente l’efficacité et réduit le coût des photovoltaïques basés sur les points quantiques

Les points quantiques colloïdaux (CQD) sont de minuscules particules semi-conductrices qui ne sont que quelques nanomètres de taille, qui sont synthétisées dans une solution liquide (c.-à-d. Colloïde). Ces particules monocristallines, créées en décomposant les matériaux en vrac via des processus chimiques et physiques, se sont avérés prometteurs pour le développement de technologies photovoltaïques (PV).

Les PV basés sur les points quantiques pourraient avoir divers avantages, notamment une bande interdite réglable, une plus grande flexibilité et un traitement de solution. Cependant, les cellules solaires à base de points quantiques développées jusqu’à présent se sont avérées avoir des limites significatives, notamment une efficacité plus faible que les cellules conventionnelles à base de silicium et des coûts de fabrication élevés, en raison des processus coûteux nécessaires pour synthétiser les films CQD conducteurs.

Des chercheurs de l’Université de Soochow en Chine, de l’Université d’électro-communications au Japon et d’autres instituts du monde entier ont récemment introduit une nouvelle méthode qui pourrait potentiellement aider à améliorer l’efficacité du photovoltaïque basé sur des points quantiques, tout en réduisant leurs coûts de fabrication. Leur approche proposée, décrite dans un article publié dans Énergie de la natureimplique l’ingénierie des encres CQD de sulfure de plomb (PBS) utilisées pour imprimer des films pour les cellules solaires.

“Lorsque les gens discutent des points quantiques colloïdaux (CQD), la première chose qui vient à l’esprit est leurs propriétés quantiques dépendantes de la taille extrêmement attrayantes, ainsi que la compatibilité avec les méthodes de fabrication basées sur des solutions à faible coût, qui ouvrent des possibilités passionnantes pour les semi-conducteurs de prochaine génération, en particulier les cellules solaires imprimables et les appareils optoélectroniques,”

“Cependant, ces applications potentielles sont souvent éclipsées par les processus de synthèse et de fabrication complexes et coûteux nécessaires pour produire des films CQD conducteurs.”

Les processus sophistiqués et coûteux actuellement utilisés pour produire des films CQD conducteurs atteignent un rendement limité, les coûts des couches actifs CQD allant de 0,25 $ à 0,84 $ / WP, qui sont trop élevées pour leur commercialisation. De plus, les processus existants offrent un contrôle limité sur la qualité des matériaux et donc les cellules solaires résultantes.

“Avant nos travaux, les modules solaires CQD dépassant 10 cm² n’ont obtenu que environ 1% d’efficacité de conversion de puissance (PCE), un contraste frappant avec le PCE de plus de 12% des dispositifs à échelle de laboratoire (0,04 cm²)”, a déclaré Liu. “Cet écart d’efficacité, combiné à des méthodes coûteuses et complexes impliquant une injection à chaud et un échange de ligands, a rendu la photovoltaïque CQD à l’échelle commerciale presque peu pratique. L’écart d’efficacité, ainsi que des méthodes coûteuses, ont rendu la photovoltaïque CQD à l’échelle commerciale peu pratique.”

L’objectif principal des travaux récents de Liu et de ses collègues était de faciliter le développement futur de PVS sur la base des points quantiques, permettant la production à faible coût de cellules solaires à grande surface et efficaces. Dans un effort pour atteindre cet objectif, ils ont introduit une nouvelle approche d’ingénierie de l’encre qui pourrait soutenir la production de films CQD.

“Pour fabriquer des films à points quantiques conducteurs de grande région, ces particules doivent être uniformément et étroitement empilées tout en conservant leurs états individuels pour préserver les effets quantiques”, a expliqué Liu. “Toute incohérence de taille ou d’empilement peut entraîner une perte d’énergie, un impact négatif sur les performances des semi-conducteurs. Cela présente un équilibre délicat entre l’empilement de points quantiques et la conception du ligand.”

Les approches conventionnelles pour créer des CQD s’appuient sur des techniques d’injection à chaud pour produire des points quantiques enveloppés dans des ligands isolants à longue chaîne, suivis d’un échange de ligand à des chaînes plus courtes qui stimule la conductivité d’un film. Ces approches sont à la fois coûteuses et complexes, elles sont donc difficiles à reproduire à grande échelle.

“Les processus d’échange de ligands augmentent à la fois la complexité et les coûts des matériaux, tout en provoquant l’agrégation et les défauts morphologiques, ce qui rend difficile l’uniformité sur de grandes zones”, a déclaré Liu. “En revanche, notre approche utilise une technique de synthèse directe (DS) pour préparer les encres CQD.”

La nouvelle méthode d’ingénierie de l’encre conçue par Liu et ses collègues permet la synthèse de CQD coiffée d’ions directement dans un solvant polaire, éliminant ainsi la nécessité de processus d’échange de ligand complexes. En utilisant leur approche, les chercheurs ont pu imprimer des films CQD conducteurs étroitement emballés en une seule étape.

“Pour minimiser l’agrégation et la fusion, nous contrôlons l’environnement chimique de l’encre, en utilisant une stratégie d’ingénierie de chimie de solution (SCE) pour un réglage précis des configurations et des fonctionnalités ioniques”, a déclaré Liu. “La technologie de points quantiques simplifiée et la stabilité de l’encre améliorée entraînent des encres CQD stables avec moins de défauts, permettant la fabrication à grande échelle de films minces à points quantiques et de dispositifs photovoltaïques, le tout à un coût inférieur à 0,06 $ / WP.”

Shi, Liu et leurs collègues ont testé leur approche proposée dans une série de tests et ont montré que cela entraînait la production d’encres de points quantiques très stables. De plus, ils ont découvert un lien entre les interactions à points quantiques dominés par la surface et les points quantiques irréversibles et les défauts présents dans les films CQD imprimés, ainsi que les performances de cellules solaires à grande surface basées sur ces films.

“Nos efforts ont conduit à la création du premier module solaire CQD de grande région avec une efficacité de conversion de puissance certifiée (PCE) dépassant 10%, marquant un pas significatif vers la commercialisation du photovoltaïque basé sur le CQD”, a déclaré Liu.

“De plus, nous avons obtenu une cellule solaire de petite région très efficace avec un PCE de 13,40%, établissant une nouvelle référence pour la technologie CQD. Ces avancées sont cruciales car elles relèvent les défis de l’évolutivité et des coûts qui ont longtemps limité l’utilisation générale des cellules solaires CQD.”

Cette étude récente pourrait bientôt contribuer au développement de cellules solaires à base de CQD à faible coût, à grande surface et très performantes et d’autres dispositifs optoélectroniques, tels que des capteurs ou des outils proche infrarouge pour l’exploration spatiale.

Dans le cadre de leurs prochaines études, Liu et ses collègues prévoient d’affiner davantage les encres produites en utilisant leur approche, car cela pourrait entraîner des cellules solaires avec des efficacités encore meilleures, tout en étendant leurs applications réelles possibles.

“Nous explorerons l’adaptation de la technologie pour divers points quantiques, y compris les variantes de faible toxicité et l’électronique flexible”, a ajouté Liu. “De plus, nous étudierons leur utilisation dans des domaines tels que l’imageur infrarouge à ondes courtes (SWIR) – des composants critiques pour faire progresser les technologies d’IA abordables comme les véhicules autonomes, les robots intelligents et l’automatisation industrielle.

“En fin de compte, notre objectif est d’étendre cette technologie pour la production commerciale, réduisant à la fois les coûts et l’impact environnemental de l’électronique quantique.”

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