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Cellules solaires flexibles au silicium
Les cellules solaires conventionnelles sont encombrantes et rigides, mais la construction de cellules légères et flexibles a entraîné des compromis en termes d'efficacité et de robustesse. Une nouvelle méthode de fabrication de réseaux flexibles de minuscules cellules solaires en silicium pourrait produire des dispositifs qui ne subissent pas ces compromis. Les matrices de ces microcellules sont aussi efficaces que les panneaux solaires conventionnels et peuvent être moins chères à fabriquer car elles utilisent beaucoup moins de silicium. Les minuscules cellules solaires pourraient être incorporées, entre autres applications, à la teinture des vitres, et elles pourraient être utilisées pour alimenter le climatiseur et le GPS d'une voiture.
Flexion de la puissance du silicium : Des matrices de minuscules cellules solaires en silicium comme celle de cette photographie sont assemblées à l'aide d'une technique d'impression par transfert. Ces panneaux sont aussi efficaces que les cellules solaires conventionnelles, qui sont encombrantes et rigides. Chaque microcellule du réseau mesure environ 1,5 millimètre de long et 15 micromètres d'épaisseur.
Des chercheurs dirigés par John Rogers , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, a utilisé une combinaison de gravure et d'impression par transfert pour créer des matrices de cellules en silicium d'un dixième de l'épaisseur des cellules conventionnelles. Ils ont démontré plusieurs conceptions possibles de panneaux solaires incorporant les microcellules, y compris des réseaux denses suffisamment flexibles pour se plier autour d'un crayon. Vous pouvez les enrouler comme un tapis, les transporter dans une camionnette et les dérouler sur un toit, explique Rogers.
Le processus s'appuie sur des techniques de fabrication d'électronique flexible que Rogers a développées au cours des dernières années. Tout d'abord, les chercheurs de l'Illinois ont gravé des barres d'environ 1,5 millimètre de long, 50 micromètres de large et 15 micromètres d'épaisseur à partir d'une plaquette de silicium monocristallin. Ils utilisent un tampon fait d'un polymère mou pour ramasser les microbarres et les placer sur un substrat, qui peut être du verre ou un plastique souple, puis fabriquent des interconnexions. Rogers a découvert qu'une épaisseur de cellule de 15 à 20 micromètres atteignait un bon équilibre : suffisamment mince pour être flexible, mais suffisamment épaisse pour être mécaniquement stable et efficace. Les cellules solaires conventionnelles utilisent une couche de silicium de 150 à 200 micromètres d'épaisseur.
Les matrices de cellules ont une efficacité d'environ 12 pour cent. Les chercheurs de l'Illinois ont augmenté la puissance de sortie des matrices d'environ deux fois et demie en ajoutant des concentrateurs sous la forme d'une couche de microlentilles cylindriques. Les meilleures cellules solaires du marché convertissent plus de 20 % de la lumière solaire qui leur tombe dessus en énergie.
C'est un bon début pour utiliser les plaquettes de silicium plus efficacement, dit Howard Branz , scientifique principal du groupe des matériaux et dispositifs en silicium au National Renewable Energy Laboratory, à Golden, CO. Avec leur approche d'impression par transfert, dit Branz, Rogers et son groupe ont pour la première fois démontré comment de telles cellules minces pouvaient être fabriquées sur grandes surfaces.
Les cellules solaires flexibles fabriquées à partir d'une autre forme de silicium, appelée silicium amorphe, ont trouvé leur place dans des applications de niche où un faible poids est essentiel. Cependant, ces cellules n'ont pas été largement utilisées car elles sont beaucoup moins efficaces que le silicium cristallin utilisé dans les cellules solaires conventionnelles. De nombreux groupes travaillent sur de nouveaux matériaux, dont les polymères pour les cellules solaires flexibles. Mais ces matériaux ne correspondent pas encore à l'efficacité et à la durabilité du silicium, dit Ray Chen , professeur au centre de recherche en microélectronique de l'Université du Texas à Austin. Je ne peux pas dire que le silicium sera la matière à long terme, dit Chen. Mais sur la base des données dont nous disposons actuellement, le silicium [monocristallin] est un matériau très robuste et présente l'avantage de la fiabilité et de l'efficacité.
Selon Rogers, l'un des principaux avantages de la fabrication de réseaux de cellules solaires à l'aide de son processus d'impression par transfert est la possibilité de contrôler l'espacement entre les microcellules. Des réseaux clairsemés de cellules sont semi-transparents et pourraient être utilisés comme revêtements de fenêtre teintés et producteurs d'énergie. Rogers espère également que les cellules solaires minces remplaceront les cellules solaires conventionnelles sur les toits et dans d'autres endroits où l'on trouve déjà des cellules solaires. Si la technologie de l'Illinois s'avère moins chère et plus facile à transporter et à installer que les cellules conventionnelles, elle pourrait supprimer certains des obstacles à une utilisation plus répandue de l'énergie solaire.
Pourtant, des questions subsistent concernant l'efficacité des cellules solaires de Rogers. Pour changer la donne, ces cellules devront avoir une efficacité proche de 15 %, dit Branz. Il existe des méthodes existantes pour augmenter l'efficacité des cellules solaires en silicium monocristallin à plus de 20 %, dit Rogers, et ces méthodes pourraient également être appliquées aux microcellules, bien que les chercheurs de l'Université de l'Illinois ne se soient pas encore concentrés sur l'optimisation de l'efficacité du matériau.