Cellules Solaires Origami

Une façon de tirer plus d'énergie de la lumière du soleil est de s'assurer qu'elle frappe toujours un panneau solaire à l'angle idéal. Cela signifie soit suivre le soleil et manœuvrer un panneau pour lui faire face, soit utiliser des optiques complexes pour rediriger les rayons du soleil pour frapper la surface du panneau par le haut.

Silicone repliable : Dans ces images, trois films minces de silicium se replient en formes 3D sous la force de la tension superficielle alors que les gouttelettes d'eau placées en leur centre s'évaporent. La rangée du haut représente la première étape, lorsque les gouttelettes d'eau sont grosses, et les images en dessous montrent une progression dans le temps à mesure que les gouttelettes d'eau rétrécissent.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois ont maintenant mis au point des cellules solaires sphériques à auto-assemblage capables de capturer plus de lumière solaire que les cellules plates. La forme est un moyen plus simple d'utiliser davantage les rayons du soleil, mais a été difficile à réaliser dans une cellule solaire. Ces nouvelles cellules solaires microscopiques sont fabriquées en utilisant la lithographie conventionnelle combinée à l'auto-assemblage. S'ils s'avèrent pratiques, les dispositifs pourraient être câblés dans de grands réseaux qui ont la même puissance de sortie que les cellules conventionnelles, mais qui économisent sur les coûts des matériaux en utilisant moins de silicium.

Au lieu d'une grande dalle de semi-conducteur équipée de lentilles de concentration et de moteurs pour la déplacer, nous voulons fabriquer des cellules compactes qui ont encore une puissance de sortie importante, explique Ralph Nuzzo , professeur de chimie à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Les surfaces courbes captent plus de lumière que les surfaces planes car elles ont une plus grande surface. Mais fabriquer des cellules solaires incurvées ou sphériques est un défi, explique Nuzzo, car les techniques utilisées pour traiter les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium fonctionnent mieux sur des surfaces planes. Le groupe de Nuzzo a surmonté ce problème en fabriquant des structures 3D à micro-échelle qui s'auto-assemblent à partir de feuilles plates.

Les chercheurs de l'Illinois commencent par traiter la surface d'une plaquette de silicium mince et de haute qualité et utilisent la lithographie conventionnelle pour graver une forme mince en deux dimensions. Pour fabriquer une sphère, les chercheurs ont découpé le silicium en forme de fleur. Ils utilisent ensuite un adhésif pour fixer un petit morceau de verre à l'intérieur. Le verre aide la structure à conserver sa forme une fois assemblée. Enfin, lorsqu'une goutte d'eau placée au centre de la forme de la fleur s'évapore, la tension superficielle tire ses pétales vers le haut, les rassemblant finalement pour former une sphère.

Le défi est de savoir comment faire en sorte que les choses suivent la séquence d'étapes nécessaire pour se plier dans la forme souhaitée ? dit Nuzzo. Le groupe de l'Illinois a proposé des modèles mathématiques pour aider à prédire les propriétés mécaniques des feuilles de silicium de différentes formes et épaisseurs, ainsi que la façon dont elles interagissent avec l'eau, qui peuvent être ajustées en traitant chimiquement leurs surfaces.

Le groupe de Nuzzo a utilisé les techniques pour fabriquer des cellules solaires sphériques microscopiques fonctionnelles, comme preuve de la fonctionnalité de ce qu'il appelle l'origami des matériaux. Avant de découper le silicium en forme de pétale, l'équipe l'a traité pour former les régions conductrices qui font fonctionner une cellule solaire. Après que la fleur se soit repliée en une sphère, des contacts électriques ont été ajoutés. Le groupe a également utilisé une technique similaire pour fabriquer des microcellules solaires cylindriques.

Ces appareils ne convertissent qu'environ 1% de la lumière qui les frappe en électricité - un rendement médiocre pour une cellule solaire - mais c'est mieux qu'une cellule solaire planaire fabriquée à l'aide des mêmes techniques relativement grossières utilisant la même quantité de silicium. Les chercheurs affirment que la technique peut être appliquée à d'autres matériaux que le silicium et pourrait être utilisée pour fabriquer de nouvelles formes de cellules solaires. Le travail est décrit en ligne cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Le pliage est très attrayant car vous pouvez créer des formes tridimensionnelles fantastiques et compliquées, dit Georges Barbastathis , professeur de génie mécanique au MIT.

Il existe d'autres moyens d'améliorer la capacité des cellules solaires à capturer la lumière, comme les revêtements antireflet et la texturation de surface. Le principal avantage de la nouvelle approche est qu'elle nécessite moins de matériel, explique Nuzzo. Les cellules solaires planaires de quelques micromètres d'épaisseur ne peuvent pas être texturées - il n'y a tout simplement pas assez de matériau. Et les revêtements antireflet ajoutent plus de coûts de fabrication et de complexité. L'auto-assemblage, espère Nuzzo, pourrait offrir une alternative.

Le groupe de l'Illinois va maintenant travailler pour améliorer le processus et réaliser des conceptions qui améliorent encore la gestion de la lumière des cellules. Nous voulons proposer des facteurs de forme qui reposent sur des matériaux hautes performances comme le silicium, mais qui offrent une économie substantielle en utilisant le moins possible de ces matériaux coûteux, explique Nuzzo.

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