A l'University of Notre Dame, Indiana, un groupe de chercheurs dirigé par Dr Prashant V. Kamat a mis au point des cellules photovoltaïques en combinant des quantum dots semiconducteurs de différentes tailles et des nanotubes de TiO2 à la place des semiconducteurs classiquement utilisés, les rendant beaucoup plus efficaces. L'étude, soutenue par l'Office of Basic Energy Sciences du Department of Energy est publiée dans le Journal of the American Chemical Society.
Les scientifiques utilisent ces quantum dots de Cadmium Selenide (CdSe) semiconducteurs plutôt que d'autres matériaux car ils présentent l'unique avantage d'absorber certaines longueurs d'ondes de la lumière, en fonction de leur taille : les quantum dots plus petits vont absorber des longueurs d'ondes plus courtes, les plus grands vont en absorber de plus longues. En combinant plusieurs types de Quantum dots de CdSe, les chercheurs peuvent donc créer des cellules photosensibles qui absorbent un plus grand spectre de lumière et sont par là même plus efficaces. L'équipe a arrangé ces quantum dots en motif ordonné sur la surface d'un film d'épaisseur nanométrique, et y ont intégré des nanotubes de dioxyde de Titane (TiO2). Les quantum dots absorbent les photons et produisent des électrons qui sont alors transportés par les nanotubes et collectés par une électrode, produisant ainsi le photocourant.
Outre l'absorption de longueurs d'onde particulières, les chercheurs ont remarqué que la taille des quantum dots a une influence sur la performance, en faisant l'expérience avec quatre types de ces nanoparticules (entre 2,3 et 3,7 nm de diamètre, elles présentent des pics d'absorption à des longueurs d'onde situées entre 505 et 580 nm). Les plus petits quantum dots peuvent convertir plus rapidement les photons en électrons, quand les plus larges absorbent un plus grand pourcentage de photons. Les quantum dots de 3nm de diamètre offrent le meilleur compromis. Après le développement de la première cellule photovoltaïque composée de différents types de quantum dots, les chercheurs prévoient pour les prochaines étapes de leur recherche de créer des cellules "arc en ciel", en superposant des couches de quantum dots en fonction de leur taille : sur la couche externe, les plus petits absorbent le bleu, et la lumière rouge (longueur d'onde plus grande) passe à travers cette couche pour atteindre la couche interne composée des quantum dots les plus larges qui absorbent le rouge, créant ainsi un gradient d'absorption "arc en ciel", tout en combinant les effets de conversion rapide des petits quantum dots et de taux d'absorption important des quantum dots plus larges.
Les cellules photosensibles actuelles en silicium ont une efficacité de 15 à 20%, le reste est perdu en chaleur. Kamat prévoit une efficacité plus importante avec ces nouveaux types de cellules photovoltaïques "arc en ciel", qui pourrait facilement dépasser les 30%.
