Les cellules solaires à porteurs chauds, un concept introduit il y a plusieurs décennies, sont souvent perçues comme une avancée potentielle dans la technologie de l’énergie solaire. Ces cellules ont la capacité de dépasser la limite d’efficacité de Shockley-Queisser, qui représente une efficacité théorique maximale pour les cellules solaires à jonction unique. Malgré cette promesse, leur mise en œuvre pratique fait face à des défis significatifs, notamment la gestion de l’extraction rapide des électrons chauds à travers les interfaces des matériaux.
La recherche récente s’est concentrée sur l’utilisation des vallées satellites dans la bande de conduction pour stocker temporairement les électrons chauds avant leur collecte. Cependant, des expériences ont mis en évidence une barrière parasitaire à l’interface de la hétérostructure entre les couches d’absorption et d’extraction. Cette barrière complique le processus de transfert, qui se déroule 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 le biais de phénomènes de tunneling, un processus influencé par des structures de bandes complexes.
Dans une nouvelle étude publiée dans le Journal of Photonics for Energy, des chercheurs ont examiné ces états évanescents et leur impact sur le tunneling électronique en utilisant une méthode de pseudo-potentiel empirique. Cette approche calcule les bandes d’énergie dans l’espace des moments et les aligne avec des données expérimentales sur des points critiques, fournissant ainsi des informations sur la physique qui permet l’extraction des porteurs chauds entre les états des vallées et à travers les hétérointerfaces.
Les résultats de cette étude offrent une compréhension plus approfondie du processus de tunneling 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 tunneling, qui mesure la facilité avec laquelle les électrons peuvent traverser la barrière, est exponentiellement élevé dans les structures d’arséniure d’indium-aluminium (InAlAs) et d’arséniure d’indium-gallium (InGaAs) en raison de l’inadéquation des bandes d’énergie de ces deux matériaux. Ce problème se complique encore avec une légère rugosité à l’interface, qui peut avoir seulement quelques atomes d’épaisseur, et qui entrave gravement le transfert des électrons.
Ces constatations correspondent aux observations de performances médiocres dans les dispositifs expérimentaux utilisant ce système de matériaux. Fait intéressant, la situation s’améliore considérablement dans un système composé de matériaux AlGaAs et d’arséniure de gallium (GaAs), où la composition en aluminium dans la barrière crée une dégénérescence dans les vallées satellites à basse 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 tunneling pour le transfert d’électrons entre AlGaAs et GaAs peut atteindre 0,5 voire 0,88, selon la composition spécifique d’AlGaAs utilisée. Cela suggère un processus de transfert beaucoup plus efficace et le potentiel d’exploiter les photovoltaïques de vallée pour 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 d’AlGaAs vers GaAs. Cependant, les porteurs chauds dans GaAs peuvent acquérir suffisamment d’énergie pour revenir à AlGaAs, un processus connu sous le nom de transfert dans l’espace réel. Bien que cela soit généralement indésirable dans les transistors, cela s’avère bénéfique pour les photovoltaïques de vallée, où le transfert efficace et le stockage des porteurs chauds sont cruciaux.
En somme, les cellules solaires à porteurs chauds représentent une avenue prometteuse pour améliorer l’efficacité des technologies solaires. Les défis liés à l’extraction rapide des électrons chauds et les problèmes associés à l’alignement des bandes d’énergie doivent être résolus pour réaliser le potentiel de ces cellules. Les recherches récentes, qui mettent en lumière le rôle des états évanescents et du tunneling électronique, nous donnent des raisons d’espérer un avenir où ces cellules pourraient transformer le paysage énergétique mondial.