Cellules solaires à couche mince efficaces

Des chercheurs du MIT ont dévoilé un nouveau type de cellule solaire au silicium qui pourrait être beaucoup plus efficace et coûter moins cher que les cellules solaires actuellement utilisées. Professeur de science et génie des matériaux Lionel Kimerling et ses collègues ont présenté les résultats du premier prototype d'appareil lors d'une récente réunion de la Materials Research Society à Boston.

Piégeur de lumière : une image en microscopie électronique à transmission (MET) montre la surface arrière d'une cellule solaire en silicium de cinq micromètres d'épaisseur. Les couches alternées de silicium et de dioxyde de silicium forment un excellent réflecteur de lumière. Les crêtes et les creux envoient la lumière réfléchie dans le silicium à un angle faible qui la maintient longtemps piégée à l'intérieur du silicium, augmentant ainsi l'efficacité de la cellule.

La conception combine un réflecteur très efficace à l'arrière d'une cellule solaire avec un revêtement antireflet à l'avant. Cela aide à piéger la lumière rouge et proche infrarouge, qui peut être utilisée pour produire de l'électricité, dans le silicium. L'équipe de recherche octroie une licence pour une technologie similaire à ÉtoileSolaire , une startup à Cambridge, MA.

Les chercheurs ont appliqué leur schéma de piégeage de la lumière sur des cellules de silicium minces d'environ cinq micromètres d'épaisseur. Leur prototype de cellule solaire est 15 % plus efficace pour convertir la lumière en électricité que les cellules solaires à couche mince du commerce. Chef de projet Pierre Bermel , qui est le directeur de la technologie de StarSolar, affirme que des simulations informatiques sophistiquées suggèrent que des gains d'efficacité beaucoup plus importants sont possibles.

Les cellules solaires en silicium à couche mince pourraient être moins chères que les appareils conventionnels car elles utilisent beaucoup moins de matériau. Les cellules solaires conventionnelles utilisent des plaquettes de silicium de plus de 100 micromètres d'épaisseur, tandis que les dispositifs à couche mince ont des épaisseurs de quelques micromètres. Mais les dispositifs à couche mince souffrent d'une efficacité moindre. Ceci est principalement dû aux photons rouges et proche infrarouge, qui ne restent pas piégés à l'intérieur du silicium mince assez longtemps pour être absorbés.

Les cellules solaires d'aujourd'hui sont recouvertes d'une couche métallique, généralement en aluminium, pour refléter la lumière. Mais ce schéma ne fonctionne pas très bien, et de la lumière à l'intérieur de la cellule solaire en silicium, trente pour cent sont perdus à chaque fois qu'elle rebondit sur le métal.

Au lieu d'utiliser un support métallique, les chercheurs du MIT ont conçu la surface arrière d'une cellule solaire en silicium pour la rendre efficace pour réfléchir et piéger la lumière. Tout d'abord, ils gravent une série de crêtes et de creux, appelés caillebotis. En plus de cela, ils déposent un cristal photonique, une structure périodique composée de plusieurs couches alternées de silicium et de dioxyde de silicium.

Le cristal photonique réfléchit la lumière, tandis que le réseau renvoie cette lumière dans le silicium sous un angle faible. Cela permet à la lumière de rebondir à l'intérieur et l'empêche de s'échapper. Plus la lumière reste longtemps, plus elle sera absorbée et convertie en électricité.

Ce travail démontre l'importance d'améliorer les performances des technologies à couche mince, déclare Stephen Saylor, PDG de SiOnyx à Beverly, MA. SiOnyx adopte une approche différente pour augmenter l'absorption de la lumière rouge et infrarouge dans les dispositifs en silicium mince. Le matériau de silicium noir de la société a une surface d'une rugosité nanométrique qui l'aide à absorber toute la lumière visible et infrarouge. Le potentiel du matériau pour les cellules solaires n'a pas encore été démontré.

Pendant ce temps, au laboratoire Ames à Ames, IA, un physicien Rana Biswas et ses collègues utilisent des cristaux photoniques pour rendre les cellules solaires en silicium amorphe plus efficaces. Leur cristal photonique est composé d'un réseau de minuscules cylindres de silicium à l'intérieur d'une couche d'oxyde d'indium et d'étain. Cela pourrait augmenter l'efficacité des cellules solaires d'un maximum de 15 pour cent. Mais leurs cellules solaires en silicium amorphe n'ont que 0,5 micromètre d'épaisseur, un dixième de la taille des appareils du MIT. En règle générale, les cellules solaires à film de silicium amorphe nécessitent beaucoup moins de matériau, ce qui réduit les coûts, explique Biswas. De plus, ils pourraient se déposer sur les plastiques. C'est un gros plus.

Les chercheurs du MIT visent à fabriquer des cellules solaires en silicium à couche mince suffisamment performantes pour rivaliser avec les cellules solaires conventionnelles, explique Bermel. En optimisant les structures des cristaux photoniques et des réseaux, les chercheurs ont pu tirer le maximum d'efficacité des cellules solaires, en l'augmentant à 13%. Cela serait comparable aux rendements de 13 à 15 % de certaines cellules solaires conventionnelles.

Les cellules solaires sont loin d'être pratiques en ce moment. Les chercheurs utilisent une technique coûteuse appelée lithographie interférentielle pour fabriquer le réseau. De plus, les couches alternées dans le réflecteur sont déposées une à une, ce qui prend du temps. Les chercheurs doivent trouver une technique de fabrication qui leur permette de fabriquer les cellules solaires à grande échelle et à faible coût. La question ultime à laquelle il faut répondre est l'évolutivité, dit Saylor. Pour avoir un réel impact, toute solution doit s'adapter de manière rentable à la production de masse.

Bermel dit que son équipe envisage déjà d'autres méthodes de production. Une option prometteuse est la lithographie par nanoimpression, mais ils ne l'ont pas encore essayée. Une augmentation de l'efficacité de 35 % est clairement prévue dans les simulations, dit-il, mais le défi est : « Pouvez-vous y arriver de manière pratique ? » C'est ce sur quoi nous travaillons.

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