l’actualité chimique - juin 2009 - n° 331 1 Nanomatériaux pour l’énergie et l’environnement Nanomatériaux pour la conversion photovoltaïque Mythe ou réalité ? Abdelilah Slaoui et Jean-François Guillemoles Résumé La technologie photovoltaïque actuelle à base de plaquettes en silicium mono- ou multicristallin est en pleine expansion, et sa continuation pourra être assurée par la deuxième génération de cellules utilisant des couches minces de silicium ou de composés II-VI et I-III-VI 2 . Pour le plus long terme, se prépare la troisième génération de cellules solaires, qui vise à une exploitation significativement meilleure du spectre solaire que celle obtenue par les cellules actuelles. Les matériaux nanostructurés pourraient contribuer à atteindre cet objectif. Cet article rappelle l’état de l’art des cellules inorganiques en plaquettes ou en couches minces, et passe ensuite en revue les différents concepts impliquant des nanomatériaux inorganiques pour la réalisation de structures photovoltaïques. En particulier, sont décrites les structures impliquant des puits quantiques pour l’augmentation de l’absorption des photons et la séparation des charges, et les structures qui utilisent des boîtes quantiques comme les cellules tandem, à bande intermédiaire métallique, à génération d’excitons multiples ou à porteurs chauds. Enfin, les cellules à conversion de photons qui emploient des nanomatériaux pour modifier le spectre solaire avant son interaction avec la cellule absorbante sont évoquées. Les résultats expérimentaux, chaque fois qu’ils sont disponibles, sont montrés et discutés. Mots-clés Nanomatériaux, confinement, photovoltaïque, cellules solaires. Abstract Nanostructured solar cell materials for high efficiency photovoltaics: dream or reality? Today’s photovoltaic technology, based on mono or multicrystalline silicon wafer is growing at a fast pace. Such a growth can be sustained by a second generation of solar cells, based on thin semi-conducting films of Si, II-VI or I-III-VI 2 . On a long term perspective, a third generation of photovoltaic devices is being prepared, that aims at a better use of the solar spectrum than what is currently achieved. This is something nanostructured materials might help to achieve. This paper presents the state of the art of wafer-based or thin film solar cells (inorganic materials) and the various concepts using inorganic nanomaterials for the elaboration of solar cells. More specifically, are described structures putting to use either quantum wells (to improve photon absorption and carrier collection) or quantum dots (as in new types of tandem cells, metallic intermediate band, multiple exciton or hot carrier solar cells) or nanomaterials that can also be used to adapt the incident solar spectrum before it is harvested by the solar cell. Experimental results, whenever available, are presented and discussed. Keywords Nanomaterials, confinement, photovoltaic, solar cells. a forte demande en énergie et le tarissement des sources conventionnelles, associés au réchauffement climatique annoncé, ont été depuis longtemps des facteurs très motivants pour le développement de cellules photovoltaïques plus performantes et pour trouver des procédés innovants permettant de réduire drastiquement leur coût de fabrication (voir encadré 1). Une revue donnant l’état de l’art et les perspectives peut être consultée par les spécialistes [1]. La première génération de cellules solaires utilisant des plaquettes en silicium montées en module est actuellement mature, et les progrès concernent essentiellement la réduc- tion du nombre d’étapes à leur fabrication (via l’automatisa- tion par exemple) et la réduction du coût de la matière première (silicium charge). Plus de 95 % des modules instal- lés sur les champs et les toits utilisent des cellules solaires en silicium cristallin. Une deuxième génération de capteurs est basée sur les couches minces de matériaux semi-con- ducteurs simples (silicium amorphe et microcristallin) ou com- posés (cuivre-indium-gallium-sélénium (CIGS), tellure de cadmium (CdTe)…). Des progrès importants ont été observés ces dernières années tant sur le rendement de conversion que sur la fiabilité, accompagnés par le développement d’équipe- ments appropriés à cette filière. Compte tenu du peu de matière utilisée et des technologies associées, le coût rende- ment/puissance généré est fortement orienté vers la baisse par rapport à la filière dominante (< 1 €/W), mais un dévelop- pement industriel est encore nécessaire. En augmentant le rendement drastiquement, la troisième génération de cellules photovoltaïques, associée éventuellement à la deuxième, prétend encore réduire le coût par un facteur 2 à 3 ! Pour atteindre des rendements de conversion importants, le composant photovoltaïque doit contourner la limite Shockley-Queisser des composants à simple bande interdite qui limite le rendement à 31 ou 41 % suivant le rapport de concentration. En effet, d’un point de vue purement thermodynamique, le rendement de Carnot associé à la conversion de l’énergie solaire pourrait en principe approcher L