Les cellules solaires microscopiques pourraient voir plus de lumière solaire

Des chercheurs de Sandia National Laboratories ont réduit les cellules solaires en silicium à une échelle microscopique, ouvrant de nouvelles possibilités pour une efficacité améliorée.

Mise à l'échelle du silicium : Ces cellules solaires au silicium hexagonales à échelle réduite vont de 0,25 à un millimètre de diamètre. Les lignes visibles sur certains d'entre eux sont des contacts électriques métalliques.

Le silicium multicristallin, actuellement l'étalon-or pour l'efficacité des cellules solaires, est cher et produit des cellules lourdes et cassantes. Les cellules solaires microscopiques au silicium de Sandia utilisent 100 fois moins de matériau tout en fonctionnant avec la même efficacité.

En plus des coûts de matériaux inférieurs, la plus petite échelle de ces cellules signifie qu'elles pourraient être incorporées dans des systèmes optiques compacts pour un suivi et une concentration de la lumière moins chers. Les chercheurs pourraient même les suspendre dans des encres qui pourraient être imprimées sur du plastique pour fabriquer des modules solaires en silicium efficaces et flexibles.

Dans les microsystèmes, vous recherchez des choses qui deviennent moins chères, qui fonctionnent mieux et qui acquièrent de nouvelles fonctionnalités, explique Gregory Nielson, scientifique en chef du projet.

Jusqu'à présent, les chercheurs de Sandia ont assemblé et testé une seule microcellule solaire comme preuve de principe. Mais ils ont commencé à tester des modules solaires fonctionnels fabriqués à partir de plusieurs cellules minuscules et développent des techniques pour les assembler efficacement.

Les cellules de Sandia mesurent entre 0,25 et un millimètre de diamètre. Le principal avantage de la fabrication de telles petites cellules serait des coûts de matériaux inférieurs, car les minuscules cellules peuvent être environ 10 fois plus minces que les cellules conventionnelles. Normalement, les cellules solaires doivent avoir une épaisseur de 100 micromètres pour supporter leur surface, généralement environ 15 centimètres carrés.

Sandia fabrique ses cellules à partir de silicium qui a été traité à l'aide de méthodes chimiques conventionnelles. Les chercheurs sculptent les cellules dans ce silicium à l'aide d'une technique de gravure chimique qui crée des déchets négligeables. Ils traitent la surface de la plaquette pour créer les propriétés électriques nécessaires au fonctionnement d'une cellule, puis la recouvrent de contacts métalliques. Les chercheurs gravent ensuite les 10 à 20 premiers micromètres de la surface de la plaquette à l'aide de produits chimiques qui ne rongent qu'une partie particulière de la structure cristalline.

Les cellules résultantes mesurent environ 20 micromètres d'épaisseur mais ont le même rendement que les cellules conventionnelles, convertissant environ 14,9 % de la lumière solaire en énergie électrique. Il est également plus facile de réaliser des cellules de forme hexagonale, ce qui permet d'exploiter au maximum la surface disponible sans gaspiller beaucoup de silicium. Les économies de matériaux sont un gros problème, dit Nielson.

Silicium et soleil : Le chercheur de Sandia, Gregory Nielson, brandit un ensemble de cellules solaires microcristallines en silicium multicristallin.

Les cellules solaires à micro-échelle offrent de nouvelles possibilités de concentration et de suivi de la lumière, ce qui pourrait encore augmenter l'efficacité des cellules. Les systèmes de suivi conventionnels sont volumineux et lourds et doivent être déplacés par des moteurs. Un réseau de microcellules solaires pourrait être surmonté d'un réseau de microlentilles qui n'a besoin de se déplacer que d'une fraction de millimètre pour suivre le soleil.

Les cellules microscopiques pourraient également être associées à des lentilles plus performantes. Au lieu des lentilles de Fresnel, qui sont volumineuses et ne capturent qu'environ 80 % de la lumière qui les frappe, les microcellules pourraient utiliser des lentilles réfractives, qui capturent 90 % de la lumière entrante. Il n'est pas pratique d'utiliser des lentilles réfractives avec des cellules solaires conventionnelles car de telles lentilles deviendraient trop chères et encombrantes à la taille requise (plus la lentille est grande, plus elle doit être montée loin de la surface de la cellule). Mais pour les cellules Sandia, un réseau de microlentilles réfractives pourrait correspondre à chaque dispositif en silicium avec une lentille de quelques micromètres de diamètre. De telles matrices sont déjà disponibles dans le commerce.

Nielson dit que les développeurs pourraient éventuellement suspendre les cellules dans un liquide pour fabriquer une encre qui pourrait être imprimée sur des substrats flexibles recouverts de contacts électriques pour créer des modules solaires flexibles.

Pour les cellules solaires, la flexibilité nuit généralement à l'efficacité. Par exemple, la société Konarka fabrique des cellules solaires flexibles à partir de matériaux organiques, mais celles-ci ne fonctionnent qu'à environ 4% d'efficacité. Nous pensons que nous pouvons utiliser des matériaux à haute efficacité pour offrir la même flexibilité en utilisant cinq fois moins de surface, explique Nielson.

Nielson s'attend à ce que le projet, qui est financé par le département américain de l'Énergie Programme de technologies solaires , pour produire des modules à usage militaire (par exemple, dans des tentes et des sacs à dos de récupération d'énergie) dans environ trois ans. Le reste du marché solaire a des exigences de durée de vie strictes, il peut donc falloir encore quelques années pour développer des modules suffisamment durables. Le laboratoire national concédera probablement la technologie sous licence à une entreprise une fois qu'elle sera plus mature.

cacher