La clé de meilleures cellules solaires : des miroirs bosselés

Les cellules solaires à couche mince sensibilisées au colorant sont moins chères à fabriquer que les cellules au silicium conventionnelles, mais elles sont encore relativement inefficaces.

Nanodômes : Un réseau de dômes de quartz de 600 nanomètres de large et 200 nanomètres de haut (en haut) est pressé dans un mince film de dioxyde de titane pour imprimer des trous dans le film (en bas). Remplir les trous avec de l'argent aide à piéger plus de lumière à l'intérieur des cellules solaires à base de colorant.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Stanford ont utilisé un réflecteur métallique spécialement conçu pour augmenter l'efficacité des cellules solaires à électrolyte solide à colorant jusqu'à 20 %. Le réflecteur est un mince film d'argent avec un réseau de bosses à l'échelle nanométrique. Les chercheurs utilisent le film pour recouvrir la surface arrière des cellules ; le film aide à piéger plus de lumière à l'intérieur des cellules. Nous obtenons environ 5 à 20 pour cent d'absorption en plus selon le colorant, dit Michael McGehee , directeur du Center for Advanced Molecular Photovoltaics à Stanford. McGehee a dirigé la recherche, qui a été publiée en ligne cette semaine dans le journal Matériaux énergétiques avancés .

Les cellules à couche mince sensibilisées aux colorants avec une efficacité de conversion lumière-électricité d'environ 11 % ont récemment fait leurs débuts commerciaux. Cependant, ils utilisent des électrolytes liquides qui sont volatils et pourraient fuir. Les piles à électrolytes solides n'ont montré des rendements que d'environ 5 pour cent.

Ils ont pris la meilleure cellule à colorant à l'état solide qu'ils pouvaient et l'ont améliorée, dit David Gingembre , professeur de chimie à l'Université de Washington, des chercheurs de Stanford. Mieux encore, ils l'ont fait en utilisant une technologie et des méthodes qui pourraient potentiellement être utilisées dans un environnement de production.

Les cellules solaires à base de colorant sont composées de nanocristaux semi-conducteurs (généralement du dioxyde de titane ou de dioxyde de titane) recouverts de molécules de colorant et pris en sandwich, avec un électrolyte, entre des feuilles de verre ou de plastique. Le colorant absorbe la lumière et crée des électrons et des trous chargés positivement. Les cristaux transfèrent les électrons à une électrode pour produire un courant électrique, tandis que l'électrolyte transporte les trous vers l'autre électrode.

Les électrolytes solides ne sont cependant pas aussi efficaces que les liquides, et les électrons et les trous se recombinent plus facilement. Pour éviter cela, la couche d'oxyde de titane est très fine, généralement de deux micromètres. Mais plus les cellules sont fines, plus la lumière les traverse rapidement sans être absorbée. Les efforts de recherche visant à améliorer l'efficacité de ces cellules se sont généralement concentrés sur le développement de colorants plus puissants et de nouveaux types de nanocristaux. Mais McGehee et ses collègues ont utilisé des réflecteurs plasmoniques pour améliorer l'efficacité de leur cellule.

Les plasmons sont les oscillations des électrons sur une surface métallique lorsqu'ils sont excités par la lumière. En contrôlant la forme de la surface, vous pouvez contrôler le type de plasmons créés, ce qui à son tour influence la façon dont la lumière interagit avec le matériau.

Le réflecteur fabriqué à Stanford a des bosses qui créent des plasmons, qui transforment certains des rayons lumineux entrants de 90 degrés. Ainsi, au lieu de rebondir sur l'argent et de sortir de la cellule, davantage de lumière se disperse à l'intérieur de la cellule, ce qui donne au colorant plus de temps pour l'absorber.

Les chercheurs ont fabriqué leurs appareils en revêtant du verre d'une électrode conductrice transparente sur laquelle ils ont déposé une couche de nanoparticules d'oxyde de titane. Ensuite, ils ont pris un morceau de quartz recouvert de dômes de 600 nanomètres de large et l'ont pressé dans l'oxyde de titane, le gaufrant efficacement avec de minuscules trous. Enfin, ils ont ajouté des couches de teinture et d'argent.

C'est la première fois que des structures plasmoniques sont appliquées à des cellules solaires sensibilisées par colorant à l'état solide, avec une augmentation substantielle de l'efficacité des cellules, dit Kylie Catchpole , chercheur à l'Australian National University. Catchpole utilise la plasmonique piégeant la lumière pour augmenter l'efficacité d'autres types de cellules solaires à couche mince.

Il reste encore beaucoup de travail à faire avant que la technologie ne soit commercialisée, selon Martin Vert , qui travaille sur le photovoltaïque piégeant la lumière à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud. Green dit que les cellules sensibilisées aux colorants ont suscité un énorme intérêt de la part de la communauté universitaire, mais qu'elles ont eu [peu] un impact commercial en raison de leur faible efficacité et de leur durabilité douteuse, par rapport aux cellules commerciales. Les cellules à électrolyte liquide ont fait une incursion sur le marché, mais Green est également sceptique quant à leurs perspectives.

McGehee, cependant, est convaincu que des rendements suffisamment élevés seront possibles. Les chercheurs cherchent maintenant à créer des réflecteurs avec des bosses de différentes tailles, hauteurs, espacements et motifs. En modifiant ces facteurs, ils devraient pouvoir augmenter la quantité de lumière absorbée par les cellules. Ils pourraient également explorer différents colorants. Il semble clairement exister une voie claire pour augmenter l'efficacité de plus de 20 pour cent, dit-il.

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