Les calculs théoriques indiquent que, dans certaines conditions, le silicium peut conférer aux cellules solaires un rendement beaucoup plus élevé. De petites grappes de silicium peuvent fournir une source de silicium modifié en conséquence. Cependant, à ce jour, ces grappes n’étaient pas accessibles sous forme soluble, condition préalable à un traitement flexible. Des chercheurs de l’Université technique de Munich (TUM) ont découvert une approche de synthèse simple.
Une nouvelle approche de synthèse pour les grappes de silicium solubles
Aujourd’hui, les meilleures cellules solaires au silicium au monde ont une efficacité de 24%. La limite théorique est d’environ 29%. “Cela est dû au fait que le silicium cristallise normalement dans une structure de diamant ne fournissant qu’une bande interdite indirecte”, explique Thomas Fässler, professeur de chimie inorganique à Focus on New Materials à l’Université technique de Munich.
Les chercheurs rêvent donc de matériaux dans lesquels les atomes de silicium sont disposés de manière à créer une bande interdite directe qu’ils peuvent exploiter pour produire de l’énergie solaire. Les scientifiques considèrent ces petites grappes de silicium comme des composés modèles à cette fin, car les atomes peuvent être disposés différemment de ceux du silicium cristallin.
“Ces types de composés sont également intéressants pour de nombreuses autres expériences chimiques”, déclare le professeur Thomas Fässler. «En utilisant seulement quelques étapes de synthèse, nous pouvons maintenant joindre quatre et neuf atomes de silicium dans des tétraèdres ou des structures presque sphériques. Cependant, dans le passé, la synthèse et l’isolement des grappes atomiques étaient très laborieux. Maintenant, nous avons fait un pas en avant significatif. ”
Un groupe de neuf atomes de silicium
La fusion de potassium et de silicium donne un composé à 12 atomes de potassium et 17 atomes de silicium, une poudre grise. Le premier auteur, Lorenz Schiegerl, a réussi à stabiliser les amas solubles de neuf atomes dans l’ammoniac liquide en utilisant une astuce intelligente: il a ajouté une molécule organique à l’ammoniac qui encapsule les atomes de potassium.
“Cette synthèse simple, à partir de silicium élémentaire, ouvre la porte à une myriade d’expériences chimiques avec ces grappes”, explique le professeur Thomas Fässler. “Dans le solvant pyridine, par exemple, le groupe est stabilisé par deux atomes d’hydrogène, similaires aux intermédiaires présumés dans la production à grande échelle de silicium polycristallin, qui est préparé à l’aide de silanes ou de chlorosilanes pour des modules de cellules solaires disponibles dans le commerce.”
Créer de nouvelles structures
Un autre chemin de réaction permettant d’obtenir des composés constitués d’agrégats de silicium est particulièrement prometteur. Ici, trois des neuf atomes de silicium se combinent avec des molécules qui contiennent à leur tour du silicium ou, par exemple, du carbone ou de l’étain. Les grappes présentant les concentrations de silicium les plus élevées actuellement connues se trouvent dans ces solutions brun rougeâtre. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour déposer du silicium avec des structures modifiées en solution.
“En prolongeant cette ligne de pensée, il devrait également être possible de construire de plus grandes structures de silicium en utilisant des grappes de grappes. Cela comblerait presque l’écart avec les aspirations des théoriciens”, déclare le professeur Fässler. “En tout cas, nous avons ouvert la porte à une nouvelle chimie fascinante.”
