Les cellules solaires à porteurs chauds, un concept introduit il y a plusieurs décennies, sont depuis longtemps considérées comme une avancée technologique potentielle dans le domaine de l’énergie solaire. Ces cellules pourraient dépasser la limite d’efficacité Shockley-Queisser, qui est une efficacité maximale théorique pour les cellules solaires à jonction unique. Malgré leur promesse, leur mise en œuvre pratique a rencontré des défis importants, notamment en ce qui concerne la gestion de l’extraction rapide des électrons chauds à travers les interfaces des matériaux.
Des recherches récentes se sont concentrées sur l’utilisation de vallées satellites dans la bande de conduction pour stocker temporairement les électrons chauds avant leur collecte. Cependant, des expériences ont révélé une barrière parasite à l’interface hétérostructurelle entre les couches absorbantes et d’extraction. Cette barrière complique le processus de transfert, qui se produit dans l’espace réel plutôt que dans l’espace de moment. Lorsque les bandes d’énergie des deux matériaux ne sont pas parfaitement alignées, les électrons peuvent contourner cette barrière par effet tunnel, un processus influencé par des structures de bandes complexes.
Dans une nouvelle étude publié dans le Journal de la photonique pour l’énergie les chercheurs ont étudié ces états évanescents et leur impact sur l’effet tunnel des électrons à l’aide d’une méthode empirique de pseudopotentiel. Cette approche calcule les bandes d’énergie dans l’espace d’impulsion et les aligne avec les données expérimentales sur les points critiques, fournissant ainsi des informations sur la physique qui permet l’extraction de porteurs chauds entre les états de vallée des porteurs et à travers les hétérointerfaces.
Ces résultats permettent de mieux comprendre le processus de creusement de tunnel et pourraient ouvrir la voie à des cellules solaires à porteurs chauds plus efficaces, nous rapprochant ainsi de la rupture des limites d’efficacité de la technologie solaire actuelle.
Plus précisément, l’étude a montré que le coefficient de tunnelisation, qui mesure la facilité avec laquelle les électrons peuvent traverser la barrière, est exponentiellement élevé dans les structures en arséniure d’indium-aluminium (InAlAs) et en arséniure d’indium-gallium (InGaAs) en raison de l’inadéquation des bandes d’énergie de ces deux matériaux. Ce problème est aggravé par une légère rugosité à l’interface, épaisse de quelques atomes seulement, qui entrave gravement le transfert d’électrons. Ces résultats concordent avec les observations de mauvaises performances des dispositifs expérimentaux utilisant ce système de matériaux.
Il est intéressant de noter que la situation s’améliore considérablement dans un système comprenant des matériaux AlGaAs et arséniure de gallium (GaAs) dans lesquels la composition en aluminium de la barrière crée une dégénérescence dans les vallées satellites de plus faible énergie. Un tel système bénéficie d’un meilleur alignement des bandes d’énergie et de la capacité de croître avec une précision atomique.
Par exemple, le coefficient de tunnelisation pour le transfert d’électrons entre AlGaAs et GaAs peut atteindre 0,5 ou même 0,88, selon la composition spécifique d’AlGaAs utilisée. Cela suggère un processus de transfert beaucoup plus efficace et le potentiel d’exploiter le photovoltaïque de vallée et de réaliser des cellules solaires au-delà des limites actuelles de la bande interdite unique
Dans les transistors à haute mobilité électronique fabriqués à partir d’AlGaAs/GaAs, les électrons se déplacent généralement de l’AlGaAs vers le GaAs. Cependant, les porteurs chauds du GaAs peuvent gagner suffisamment d’énergie pour être transférés à nouveau dans l’AlGaAs, un processus connu sous le nom de transfert dans l’espace réel. Bien que cela soit généralement indésirable dans les transistors, cela est bénéfique pour le photovoltaïque de vallée, où le transfert et le stockage efficaces des porteurs chauds sont essentiels.
Plus d’informations :
David K. Ferry et al., Sur l’utilisation de la structure de bande complexe pour étudier le photovoltaïque de vallée : vers une extraction efficace des porteurs chauds, Journal de la photonique pour l’énergie (2024). DOI: 10.1117/1.JPE.15.012502