Des cellules solaires qui stockent l’électricité !

Parmi les systèmes susceptibles de fournir de l’énergie renouvelable, les dispositifs photovoltaïques, qui convertissent la lumière du soleil en électricité, jouent un rôle primordial. Mais il est important de pouvoir stocker une partie de l’électricité produite pour l’utiliser la nuit et même le jour en cas de couverture nuageuse trop importante, d’où la nécessité d’utiliser un système de stockage comme, par exemple, des accumulateurs.
Des scientifiques de Chine, de Singapour et des Etats-Unis ont construit un dispositif combinant la production d’électricité par effet photoélectrique et le stockage des charges électriques.
Dans la photoconductivité normale, les paires d’électrons -trous créées par l’effet photoélectrique se neutralisent au bout de leur temps de vie ; au contraire, dans le dispositif  dit de photoconductivité avec charge, des porteurs de charges à temps de vie infini sont produits et stockés sans se recombiner.
Les électrons ainsi générés peuvent être conservés au moins une semaine avant de se décharger en fournissant du courant. Cette photoconductivité avec charge (PCC) se distingue  de tous les phénomènes photoélectriques déjà observés.

La conversion de lumière en électricité se produit souvent dans des jonctions p-n où des photons incidents créent des paires électron-trou. Mais les électrons chargés négativement et les trous (manques d’électrons) chargés positivement peuvent se recombiner en se neutralisant, ce qui diminue le nombre de porteurs de charge disponibles et abaisse ainsi l’efficacité quantique externe, rapport entre le nombre de charges collectées et le nombre de photons incidents.

Le dispositif photovoltaïque qui stocke des charges électriques

On a beaucoup essayé d’augmenter l’efficacité quantique externe.
C’est dans ce but que ces chercheurs ont construit des jonctions p/n appelées hétérojonctions de Van der Waals. Celles-ci sont constituées de 2 matériaux extrêmement proches maintenus en contact par des interactions de Van der Waals relativement faibles.

Une interaction de Van der Waals est une interaction électrique de faible intensité entre 2 atomes ou molécules.

Les matériaux utilisés sont du diséléniure de tungstène (WSe2) qui est évaporé en quelques couches minces sur du titanate de strontium (SrTiO3) abrégé en anglais par STO.
La surface de ce STO est soumise à un bombardement par des ions Argon. Cela crée des défauts qui induisent un gaz d’électrons quasi bidimensionnel (Q2DEG,abrégé de l’anglais quasi-2D electron gas). Ce dernier, constitué d’électrons, est donc un conducteur de type n. Dans le film de séléniure de tungstène le courant est conduit par des trous (absences d’électron), c’est un conducteur de type p.
La région d’interface entre WSe2 et STO constitue une hétérojonction p/n comme on en utilise dans nombre de cellules solaires. Elle est éclairée latéralement (Fig.1.).

Fig.1. Schéma de la jonction WSe2-Q2DEG a) Elle est éclairée par un laser à 405 nm et le circuit électrique est ouvert. b) Image au microscope à force atomique (AFM) montrant la forme de la surface. Dans l'insert on voit une photographie du dispositif. c) Le dispositif est placé dans l'obscurité à une température de -243 °C pendant 2 minutes ou pendant 7 jours. d) Courbes I-V hystérétiques mesurées après respectivement 2 minutes et 7 jours d'obscurité. On voit qu'on peut obtenir un courant aussi bien après 2 minutes qu'après 7 jours. Il y a donc bien stockage de charges. L'insert montre des courbes I-V avec et sans illumination. Tiré de Coexistence of Photoelectric Conversion and Storage in van der Waals Heterojunctions Yucheng Jiang, Anpeng He, Run Zhao, Yu Chen, Guozhen Liu, Hao Lu, Jinlei Zhang, Qing Zhang, Zhuo Wang, Chen Zhao, Mingshen Long , Weida Hu, Lin Wang, Yaping Qi, Ju Gao, Quanying Wu, Xiaotian Ge, Jiqiang Ning, Andrew T. S. Wee, and Cheng-Wei Qiu PHYSICAL REVIEW LETTERS 127, 217401 (2021)

Fig.1. Schéma de la jonction WSe2-Q2DEG
a) Elle est éclairée par un laser à 405 nm et le circuit électrique est ouvert.
b) Image au microscope à force atomique (AFM) montrant la forme de la surface. Dans l’insert on voit une photographie du dispositif.
c) Le dispositif est placé dans l’obscurité à une température de -243 °C pendant 2 minutes ou pendant 7 jours.
d) Courbes I-V hystérétiques mesurées après respectivement 2 minutes et 7 jours d’obscurité. On voit qu’on peut obtenir un courant aussi bien après 2 minutes qu’après 7 jours. Il y a donc bien stockage de charges.
L’insert montre des courbes I-V avec et sans illumination.
Tiré de Coexistence of Photoelectric Conversion and Storage in van der Waals Heterojunctions
Yucheng Jiang, Anpeng He, Run Zhao, Yu Chen, Guozhen Liu, Hao Lu, Jinlei Zhang, Qing Zhang, Zhuo Wang, Chen Zhao, Mingshen Long , Weida Hu, Lin Wang, Yaping Qi, Ju Gao, Quanying Wu, Xiaotian Ge, Jiqiang Ning, Andrew T. S. Wee, and Cheng-Wei Qiu
PHYSICAL REVIEW LETTERS 127, 217401 (2021), avec autorisation.

Quand il est éclairé, le dispositif génère, comme il est normal, des porteurs de charges (électrons et trous). Mais, en outre, il les stocke dans la zone de charge d’espace de la jonction.

La zone de charge d’espace, ou zone désertée, correspond à la région qui apparaît dans une jonction p/n entre la zone dopée n et la zone dopée p. Elle est dépourvue de porteurs libres .

Ceci est très analogue au processus de charge d’un accumulateur.
Après cette charge optique, les photoporteurs (on appelle photo-porteurs les porteurs de charge qui ont pour origine un effet photoélectrique) stockés peuvent, sous l’application d’une tension de polarisation, fournir un courant à travers la jonction.
Après sept jours, on obtient, en appliquant à la jonction dans l’obscurité un potentiel de polarisation de 5V, un photo-courant d’intensité élevée (4,9 mA). Le rapport du courant dans l’état chargé à celui dans l’état vide de charges est énorme, de l’ordre de 109. L’efficacité quantique externe est très forte, 93,8%, elle indique un effet photoélectrique intense.
Les chercheurs ont établi un modèle théorique de la PCC basé sur l’hypothèse que les photo-porteurs de charge  ne peuvent se recombiner dans la zone de charge d’espace et que cette zone, siège d’un potentiel élevé, joue le rôle d’un récipient de stockage des photoporteurs .

La photoconductivité  avec charge (PCC) obtenue avec une hétéro-structure Wse2-Q2DEG ouvre la voie à des systèmes photoélectriques réalisant à la fois la conversion de photons en porteurs de charges et le stockage des charges donc d’énergie électrique.
Pour en savoir plus :
Coexistence of Photoelectric Conversion and Storage in van der Waals Heterojunctions
Yucheng Jiang, Anpeng He, Run Zhao, Yu Chen, Guozhen Liu, Hao Lu, Jinlei Zhang, Qing Zhang, Zhuo Wang, Chen Zhao, Mingshen Long , Weida Hu, Lin Wang, Yaping Qi, Ju Gao, Quanying Wu, Xiaotian Ge, Jiqiang Ning, Andrew T. S. Wee, and Cheng-Wei Qiu
PHYSICAL REVIEW LETTERS 127, 217401 (2021)
Device Acts as Both Solar Cell and Battery A new photoelectric device can convert light into charge that it can then store indefinitely.
Phillip Ball.
Physics 14, 163 November 19, 2021