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Capturer plus de lumière avec une seule cellule solaire
Les cellules solaires les plus efficaces ont généralement plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs, chacune étant réglée pour convertir différentes couleurs de lumière en électricité. Les chercheurs de Laboratoire national Lawrence Berkeley ont maintenant fait un seul semi-conducteur qui effectue presque le même travail. Plus important encore, ils ont fabriqué le matériau en utilisant une technique de fabrication commune, suggérant qu'il pourrait être fabriqué à un prix relativement bas .
Cellule prototype : Cette petite cellule solaire est dotée d'un matériau semi-conducteur conçu pour absorber une plus grande partie du spectre solaire.
Plusieurs groupes de recherche développent des matériaux semi-conducteurs qui exploitent davantage l'énergie de la lumière du soleil, sur la base d'une idée qui remonte à 1960 pour changer la façon dont les matériaux semi-conducteurs dans les cellules solaires interagissent avec la lumière. Mais les matériaux utilisés dans cette recherche ont tendance à être très difficiles à fabriquer.
Il reste beaucoup de travail avant que le matériau du laboratoire de Lawrence Berkeley puisse être utilisé dans une cellule solaire pratique, mais en théorie, il pourrait convertir près de la moitié de l'énergie solaire en électricité, soit trois fois plus que la plupart des panneaux solaires à couche unique (ou à jonction unique). cellules. Une telle cellule solaire pourrait également coûter moins cher que les cellules solaires en couches (ou à jonctions multiples) actuellement nécessaires pour atteindre des rendements élevés, car elle ne nécessiterait qu'un seul matériau semi-conducteur.
Dans un matériau semi-conducteur conventionnel, il faut une certaine quantité d'énergie pour libérer un électron et générer de l'électricité. Les photons qui ont moins d'énergie, disons les photons de la lumière infrarouge, ne génèrent pas d'électricité. Et si un photon a plus que le minimum, par exemple un photon dans la lumière ultraviolette énergétique, l'énergie supplémentaire est gaspillée sous forme de chaleur.
Le nouveau matériau semi-conducteur est à base d'arséniure de gallium. Normalement, ce matériau nécessite des photons de haute énergie pour produire de l'électricité. Mais les chercheurs l'ont modifié pour que l'énergie de plus d'un photon soit utilisée pour libérer un électron - l'énergie s'additionne jusqu'à ce qu'un électron soit libéré. Le remplacement de certains des atomes d'arsenic dans le matériau par des atomes d'azote crée des régions qui agissent comme des tremplins pour les électrons qui ont absorbé une partie de l'énergie des photons de basse énergie, où ils peuvent attendre de recevoir l'énergie de plus de photons, dit Wladek Walukiewicz , qui dirige le groupe de recherche sur les matériaux d'énergie solaire au laboratoire Lawrence Berkeley, et a également dirigé le projet.
Le nouveau matériau convertit les photons de haute énergie en électricité sans gaspiller leur énergie sous forme de chaleur, et convertit également les photons de basse énergie en électricité, des photons qui ne seraient normalement pas absorbés par le matériau.
Un effet similaire est obtenu dans les cellules solaires commerciales à jonctions multiples, qui sont fabriquées en empilant essentiellement trois cellules solaires les unes sur les autres, chacune optimisée pour une couleur de lumière différente. Mais combiner ces trois cellules solaires est coûteux et complexe, car chaque couche doit être étroitement liée aux autres couches.
Le prototype de cellule solaire est encore relativement inefficace. Une partie du problème est que de nombreux électrons qui ont absorbé une partie de l'énergie des photons de faible énergie ne conservent pas cette énergie assez longtemps pour absorber l'énergie d'un autre photon. Ces électrons ne le font jamais à partir de matériau et l'énergie est perdue sous forme de chaleur. Les chercheurs travaillent avec deux sociétés, Rose Street Labs Energy et Sumika Electronic Materials, pour surmonter ce problème. Une option, par exemple, consiste à doper le matériau avec des atomes de phosphore pour modifier leurs propriétés électriques.
Ce sera un défi, déclare Andrew Norman, chercheur au Laboratoire national des énergies renouvelables . Norman a également travaillé sur ce type de cellule solaire, bien qu'elle soit faite de matériaux très différents. Norman dit que les nouveaux travaux sont intéressants, notamment en raison des niveaux de tension élevés que la cellule produit, mais il note qu'il s'est avéré difficile de commercialiser ce type de cellule. Il faut se demander pourquoi, en 50 ans, personne n'a réussi, dit-il.