Cellules solaires à nanopiliers

Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont fabriqué un nouveau type de cellule solaire en faisant croître un ensemble de piliers nanométriques verticaux sur une feuille d'aluminium. Ils fabriquent des cellules solaires pliables en encapsulant la cellule entière dans un polymère transparent et caoutchouteux. La conception, suggèrent les chercheurs, pourrait conduire à des cellules solaires qui coûtent moins cher que les panneaux photovoltaïques conventionnels au silicium.

Solaire pas cher : Une nouvelle cellule solaire est composée d'un réseau de nanopiliers de sulfure de cadmium dressés (en bas) enchâssés dans une matrice de tellurure de cadmium. La cellule entière, fabriquée sur une fine feuille d'aluminium, devient pliable lorsqu'elle est enrobée de polymère.

Les nanopiliers permettent aux chercheurs d'utiliser des matériaux moins chers et de moindre qualité que ceux utilisés dans les technologies conventionnelles du silicium et des couches minces. De plus, la technique utilisée pour fabriquer les cellules pourrait être adaptée pour fabriquer des rouleaux de panneaux flexibles sur une fine feuille d'aluminium, réduisant ainsi les coûts de fabrication, explique Ali Javey , professeur d'électrotechnique et d'informatique qui a dirigé les travaux. Le travail n'en est qu'à ses débuts et vous ne connaîtrez pas le coût tant que vous ne l'aurez pas fait en utilisant un processus roll-to-roll, dit-il. Mais si vous pouvez le faire, le coût pourrait être 10 fois inférieur à ce qui est utilisé pour fabriquer des panneaux de silicium [cristallins].

Les cellules solaires sont constituées de piliers uniformes de 500 nanomètres de haut en sulfure de cadmium noyés dans une fine couche de tellurure de cadmium. Les deux matériaux sont des semi-conducteurs utilisés dans les cellules solaires à couche mince. Dans un en ligne Matériaux naturels papier, Javey et ses collègues ont montré que les cellules ont une efficacité d'environ 6 pour cent dans la transformation de la lumière du soleil en électricité. D'autres ont fabriqué des cellules avec des conceptions de piliers, dit-il, mais ils ont utilisé des méthodes coûteuses pour faire croître les piliers et n'ont pas pu obtenir des rendements supérieurs à 2 %.

Dans les cellules conventionnelles, le silicium absorbe la lumière et crée des électrons libres, qui doivent atteindre le circuit électrique avant d'être piégés par des défauts ou des impuretés dans le matériau. Cela nécessite du silicium cristallin extrêmement pur et coûteux pour obtenir les dispositifs photovoltaïques les plus efficaces.

La conception du nanopilier divise les tâches du silicium : le matériau entourant les piliers absorbe la lumière et les piliers la transportent vers le circuit électrique. Cela augmente l'efficacité de deux manières. Les piliers étroitement emballés emprisonnent la lumière entre eux, aidant le matériau environnant à absorber davantage. Les électrons ont également une très courte distance à parcourir à travers les piliers, il y a donc moins de chances qu'ils soient piégés par des défauts. Cela signifie que vous pouvez utiliser des matériaux de mauvaise qualité et moins chers, dit Javey.

D'autres fabriquent des cellules solaires avec différentes nanostructures. Le professeur de chimie de l'Université Harvard, Charles Lieber, a fabriqué des nanofils constitués d'un noyau de silicium et de différentes couches de silicium concentriques. Peidong Yang , professeur de chimie à l'UC Berkeley, a fabriqué des cellules solaires à colorant avec des nanofils d'oxyde de zinc. Ces cellules solaires à nanofils ont atteint des rendements de 4 %.

Javey et ses collègues fabriquent la cellule nanopillar en anodisant d'abord une feuille d'aluminium. Cela crée un arrangement périodique de pores de 200 nanomètres de large, qui servent de modèles pour que les cristaux de sulfure de cadmium se dressent. Vient ensuite une couche de tellurure de cadmium et l'électrode supérieure, un film de cuivre et d'or. Ils fixent la cellule à une plaque de verre ou la rendent flexible en versant une solution de polymère sur le dessus et en la fixant.

Il s'agit d'un progrès passionnant dans l'intégration de nanomatériaux manufacturés avec une diversité de substrats souples pour la fabrication de cellules solaires flexibles et pliables à haut rendement, selon Zhong Lin Wang , professeur de science des matériaux et d'ingénierie à Georgia Tech. Mais la cellule devra rivaliser avec les cellules solaires flexibles à couche mince composées de silicium, de tellurure de cadmium et d'autres matériaux, selon Arthur Nozik , un physico-chimiste qui étudie les nanocellules solaires au National Renewable Energy Laboratory, à Golden, CO. Contrairement à la flexibilité de la nouvelle cellule, dit-il, je pense que l'argument de vente pourrait être un faible coût.

Pour l'instant, les chercheurs explorent des matériaux qui pourraient améliorer l'efficacité des cellules. La couche supérieure de cuivre-or, par exemple, n'est transparente qu'à 50 %. Si toute la lumière qui tombait dessus passait, l'efficacité de la cellule pourrait déjà doubler, dit Javey. Les chercheurs prévoient de fabriquer des cellules avec des matériaux conducteurs transparents tels que l'oxyde d'indium. Il y a une marge d'amélioration importante, au moins deux fois supérieure, en améliorant ou en remplaçant simplement notre matériau de contact supérieur, dit-il.

Les chercheurs ont également l'intention d'essayer d'autres matériaux semi-conducteurs pour les piliers et le matériau environnant. Javey dit que le processus de fabrication est compatible avec une large gamme de semi-conducteurs et que d'autres combinaisons pourraient augmenter l'efficacité.

Essayer d'autres matériaux semi-conducteurs pourrait également être important compte tenu des problèmes de toxicité du cadmium, souligne Yang de Berkeley. Néanmoins, dit-il, l'architecture est la plus importante – des matériaux sur lesquels nous pouvons continuer à travailler. La beauté de cet article est la démonstration du bon fonctionnement de l'architecture.

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