La réussite de l’innovation dans les dispositifs semi-conducteurs optoélectroniques dépend en grande partie du déplacement des charges et des excitons (paires électron-trou) dans des directions spécifiques dans le but de créer des carburants ou de l’électricité.
Lors de la photosynthèse, les molécules de pigment absorbent et transfèrent l’énergie solaire vers un centre de réaction, où l’énergie est convertie et utilisée. Au cours de ce processus, les photons génèrent des paires électron-trou qui doivent être séparées pour initier des réactions chimiques.
S’inspirant du processus naturel de la photosynthèse, les chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont développé une tricouche de semi-conducteurs à dimensionnalité mixte (2D/1D/2D) pour permettre la dissociation des excitons. Cette étape de dissociation des excitons, une séparation spatiale des paires électron-trou excitées, est un processus microscopique fondamental pour les performances des systèmes photovoltaïques.
Les chercheurs détaillent les résultats dans un article intitulé «Cascade de transfert de charge ultra-rapide dans une tricouche nanométrique à dimensionnalité mixte » Publié dans ACS Nano.
À mesure que la transition vers une énergie propre progresse, les progrès dans le domaine des systèmes photovoltaïques, qui convertissent la lumière du soleil en électricité, sont cruciaux. Le photovoltaïque repose sur la création activée par la lumière de paires électron-trou séparées pour alimenter un circuit externe.
« Dans cette étude, nous avons pu créer des paires électron-trou activées par la lumière et les séparer pendant une longue période, plus longtemps que les systèmes similaires précédemment rapportés », a déclaré Alexis Myers, chercheur diplômé du NREL.
Les matériaux de faible dimension présentent des opportunités pour l’étude du transfert d’excitons
Les propriétés électroniques et optiques diverses et réglables des matériaux de faible dimension confinés quantiques tels que les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) bidimensionnels (2D) et les nanotubes de carbone monoparoi (SWCNT) unidimensionnels (1D) en font des candidats de choix pour les études fondamentales sur le transfert de charge et d’excitons.
Ces types de matériaux présentent des interactions coulombiennes électron-trou améliorées, où la force électrostatique provoque l’attraction entre un électron et un trou d’électron pour former un exciton. Pour séparer les charges, les chercheurs doivent surmonter l’attraction, rendue plus difficile par les grandes énergies de liaison.
Ces matériaux présentent des énergies de liaison d’excitons élevées (l’énergie nécessaire à la dissociation des excitons) qui peuvent inhiber la génération de courants électriques pour les systèmes photovoltaïques, les photodétecteurs et les capteurs ou les liaisons chimiques dans les systèmes de carburant solaire. Les chercheurs du NREL ont donc cherché à développer une hétéro-tricouche qui permettrait de relever ce défi.
« Il est nécessaire de prolonger la durée de vie de la séparation des charges pour augmenter les chances d’extraction des charges », a déclaré Myers.
« La création de bicouches et de tricouches résulte de cette volonté d’augmenter la distance entre les charges séparées. Cependant, la littérature ne précise pas si les charges « séparées » sont toujours liées électrostatiquement à travers l’interface. Ainsi, bien que séparées, l’interaction de Coulomb est toujours présente, ce qui peut réduire la durée de vie de séparation des charges.
« Dans la tricouche, nous avons pu suivre les mouvements des électrons et des trous de manière séquentielle à travers chaque couche, confirmant qu’ils ne sont effectivement plus liés les uns aux autres. »
L’allongement de la durée de vie de la séparation des charges permet une meilleure génération de courant électrique
Les hétérostructures complexes de faible dimension, comme les TMDC, présentent des durées de vie plus longues, initiant des réactions photochimiques importantes, essentielles à la production d’électricité dans le photovoltaïque.
Alexis Myers et son équipe ont développé une hétéro-tricouche à dimensionnalité mixte de SWCNT entre deux semi-conducteurs qui permet une cascade de transfert de charge photo-induite où les électrons (porteurs de charge négative) se déplacent dans une direction tandis que les trous (porteurs de charge positive) se déplacent dans l’autre direction.
L’hétéro-tricouche imite la cascade naturelle de transfert de charge observée dans la photosynthèse des plantes, qui a inspiré son développement. Un élément clé de l’hétérostructure est la couche intermédiaire unidimensionnelle, qui aide les porteurs de charge à diffuser efficacement d’une couche 2D à l’autre.
L’étude a également examiné les mécanismes de diffusion des porteurs dans les TMDC. À l’aide de la spectroscopie d’absorption transitoire, les chercheurs ont suivi la dissociation des excitons et la diffusion des charges à travers l’hétéro-tricouche, observant un transfert d’électrons ultrarapide vers une couche et un transfert de trous vers l’autre.
L’architecture tricouche semble faciliter le transfert de trous ultrarapide et la dissociation des excitons, ce qui entraîne une séparation de charge de longue durée.
La cascade de transfert de charge permet un état excité, dans lequel les électrons et les trous se trouvent à des endroits séparés au sein de la triple couche, où des réactions photochimiques pourraient être initiées. Des durées de vie de séparation de charge plus longues pourraient signifier une plus grande génération de courant électrique, car davantage d’électrons et de trous ne se sont pas recombinés.
La tricouche a produit un rendement de porteurs deux fois supérieur à celui d’une bicouche 2D/1D. Elle a également permis aux charges séparées de surmonter les énergies de liaison des excitons intercouches des charges séparées non liées, un défi majeur avec de tels matériaux.
« Ces matériaux présentent une interaction électrostatique élevée entre l’électron et le trou, mais nous avons montré que nous pouvons les séparer avec succès grâce à une diffusion efficace le long du maillage SWCNT », a déclaré Alejandra Hermosilla Palacios, chercheuse postdoctorale en science des matériaux du NREL.
« L’analyse cinétique des différentes étapes est nécessaire pour comprendre l’efficacité de ces systèmes. Nous nous sommes principalement concentrés sur la diffusion des charges grâce aux SWCNT. Nous aimerions comprendre comment les charges diffusent ou se déplacent dans la couche TMDC pour mieux proposer de nouveaux systèmes qui pourraient conduire à des rendements plus élevés (plus d’électrons et de trous générés) et même à des charges à durée de vie plus longue (possibilité de génération de courant électrique plus élevée). »
Dans les cascades de transfert de charge précédentes, le mécanisme de transfert de charge n’est pas clair ou ne se déroule pas comme prévu.
« Nos résultats suggèrent que des cascades de transfert de charge bien définies peuvent entraîner des durées de vie de charge séparées plus longues et un rendement de charge plus élevé (ou un transfert efficace), ouvrant la voie à une meilleure compréhension de la manière dont les charges se déplacent dans ces systèmes et comment nous pouvons continuer à les optimiser », a déclaré Myers.
Poursuite d’études : Innovation future
Les résultats de l’étude positionnent ces modèles à l’échelle nanométrique pour d’autres études fondamentales sur la mécanique de la dynamique des porteurs. Le rendement accru des porteurs de charge suggère des applications futures dans les systèmes optoélectroniques avancés. « L’objectif est de continuer à déconvoluer chaque étape du processus photovoltaïque pour faire progresser l’optimisation », a déclaré Myers.
« Nos résultats montrent des implications prometteuses pour le développement de dispositifs optoélectroniques à l’échelle nanométrique comme les cellules solaires et les architectures de combustible solaire », a déclaré Hermosilla Palacios.
« Les hétérostructures à dimensionnalité mixte présentent des avantages photophysiques et technologiques qui peuvent améliorer et accélérer l’innovation en optoélectronique. »
Plus d’information:
Alexis R. Myers et al., Cascade de transfert de charge ultrarapide dans une tricouche nanométrique à dimensionnalité mixte, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c12179