L’effet photovoltaïque de volume : un pas de géant pour l’énergie propre

La recherche d’une efficacité supérieure dans la conversion de l’énergie solaire mobilise les scientifiques à l’échelle mondiale. Les cellules photovoltaïques conventionnelles, fondées sur des jonctions p-n, atteignent leurs limites théoriques. Une alternative prometteuse se dessine : l’effet photovoltaïque de volume (BPV). Des chercheurs japonais ont récemment démontré expérimentalement cet effet dans le séléniure d’indium en phase alpha (α-In2Se3), élargissant le champ des possibilités pour les technologies solaires futures.

L’effet photovoltaïque classique, fondement des cellules solaires actuelles, repose sur l’interaction entre différents matériaux à l’interface d’une jonction p-n. Cependant, les performances de ces dispositifs sont limitées par le rendement théorique maximal défini par la limite de Shockley-Queisser. Face à cette contrainte, l’effet photovoltaïque de volume se présente comme une alternative intéressante.

Dans certains matériaux cristallins dépourvus de symétrie interne, les électrons excités par la lumière peuvent se déplacer de manière cohérente dans une direction spécifique, générant des «courants de déplacement». Ce phénomène est à l’origine de l’effet BPV. Bien que le séléniure d’indium en phase alpha (α-In2Se3) ait été identifié théoriquement comme un candidat potentiel pour manifester cet effet, aucune étude expérimentale n’avait été menée jusqu’à présent.

Une équipe japonaise met en évidence l’effet BPV dans l’α-In2Se3

Une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur associé Noriyuki Urakami de l’Université de Shinshu, a entrepris d’explorer l’effet BPV dans l’α-In2Se3. Leurs résultats ont été publiés dans le volume 125, numéro 7 de la revue Applied Physics Letters le 12 août 2024.

«Ce matériau est devenu récemment un sujet d’intérêt majeur dans le domaine de la physique de la matière condensée, car il pourrait être capable de générer un courant de déplacement. Notre étude est la première à démontrer expérimentalement cette prédiction.» a indiqué le professeur Urakami.

Les scientifiques ont conçu un dispositif en couches composé d’une fine couche d’α-In2Se3 prise en sandwich entre deux couches de graphite transparent. Ces couches de graphite ont servi d’électrodes et ont été connectées à une source de tension et un ampèremètre pour mesurer les courants générés lors de l’irradiation lumineuse. Cette configuration spécifique a été choisie pour étudier les courants de déplacement se produisant dans la direction perpendiculaire au plan de la couche d’α-In2Se3.

Après avoir testé différentes tensions externes et des fréquences lumineuses variées, l’équipe a confirmé l’existence de courants de déplacement dans la direction perpendiculaire au plan, validant ainsi les prédictions théoriques. L’effet BPV a été observé sur une large gamme de fréquences lumineuses.

Des performances encourageantes pour l’avenir des cellules solaires

Les chercheurs ont évalué le potentiel de l’effet BPV dans l’α-In2Se3 et l’ont comparé à d’autres matériaux. Le professeur Urakami a souligné : «Notre dispositif à base d’α-In2Se3 a démontré une efficacité quantique plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle d’autres matériaux ferroélectriques, et comparable à celle de matériaux de basse dimensionnalité à polarisation électrique renforcée.»

L’équipe de recherche espère que leurs efforts auront un impact positif sur l’environnement en contribuant au domaine de la production d’énergie renouvelable. «Nos découvertes ont le potentiel d’accélérer davantage la diffusion des cellules solaires, l’une des technologies clés pour la récupération d’énergie environnementale et une voie intéressante vers une société neutre en carbone» a conclu le professeur Urakami.

Cette étude ouvre de nouvelles pistes pour de futures recherches visant à exploiter l’effet BVP pour améliorer considérablement les performances des cellules solaires et optimiser la conception de photodétecteurs sensibles.

Légende illustration : Dans cette étude, les chercheurs ont démontré que l’α-In2Se3 présente une façon particulière de produire de l’électricité à partir de la lumière, appelée effet photovoltaïque de masse. D’après leurs résultats expérimentaux, les dispositifs à base d’α-In2Se3 pourraient atteindre des performances remarquables dans les cellules solaires, ouvrant la voie à une production fiable d’énergie renouvelable pour atteindre la neutralité carbone.

Article : ‘Bulk photovoltaic effect of an alpha-phase indium selenide(α-In2Se3) crystal along the out-of-plane direction’ / ( 10.1063/5.0222926 ) – Shinshu University – Publication dans la revue Applied Physics Letters