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Nanocristaux de silicium pour cellules solaires super efficaces
Une cellule solaire typique ne génère qu'un électron par photon de lumière solaire entrante. On pense que certains matériaux exotiques produisent plusieurs électrons par photon, mais pour la première fois, le même effet a été observé dans le silicium. Les chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), à Golden, CO, a montré que les nanocristaux de silicium peuvent produire deux ou trois électrons par photon de lumière solaire à haute énergie. L'effet, disent-ils, pourrait conduire à un nouveau type de cellule solaire qui est à la fois bon marché et plus de deux fois plus efficace que le photovoltaïque typique d'aujourd'hui.
Silicium gonflé : Une micrographie d'un morceau de silicium cristallin de sept nanomètres, appelé nanocristal ou point quantique. De telles structures pourraient augmenter considérablement l'efficacité des cellules solaires.
Comme dans les travaux antérieurs avec d'autres matériaux, les électrons supplémentaires proviennent de photons de lumière bleue et ultraviolette, qui ont beaucoup plus d'énergie que ceux du reste du spectre solaire, en particulier la lumière rouge et infrarouge. Dans la plupart des cellules solaires, l'énergie supplémentaire contenue dans la lumière bleue et ultraviolette est gaspillée sous forme de chaleur. Mais la petite taille des cristaux nanométriques, également appelés points quantiques, conduit à de nouveaux effets de mécanique quantique qui convertissent plutôt cette énergie en électrons.
En générant plusieurs électrons à partir de photons de haute énergie, les cellules solaires constituées de nanocristaux de silicium pourraient théoriquement convertir plus de 40 % de l'énergie de la lumière en énergie électrique, selon Arthur Nozik, chercheur principal au NREL. En revanche, les panneaux solaires sur toit plat d'aujourd'hui sont au mieux efficaces à un peu plus de 20 % et sont théoriquement limités à environ 30 % d'efficacité. La concentration de la lumière du soleil avec des miroirs ou des lentilles pourrait augmenter ce chiffre à environ 40 pour cent, mais la même approche pourrait augmenter l'efficacité d'une cellule solaire à nanocristal de silicium à plus de 60 pour cent, dit Nozik.
De plus, les cellules solaires constituées de nanocristaux de silicium pourraient s'avérer bon marché, ce qui leur donnerait un avantage significatif par rapport aux autres approches des cellules solaires à haut rendement. Par exemple, les cellules multijonctions avancées ont montré des efficacités de plus de 40 pour cent. Mais ceux-ci nécessitent des processus de fabrication compliqués qui combinent des semi-conducteurs coûteux optimisés pour différentes parties du spectre solaire. Les nanocristaux de silicium, en revanche, sont relativement faciles à fabriquer, même par rapport au matériau des cellules solaires conventionnelles, dont les meilleurs sont constitués de très gros monocristaux de silicium.
Les nanocristaux de silicium ont également des avantages marqués par rapport aux autres matériaux nanocristallins qui ont montré l'effet multiélectronique. Certains de ces matériaux contiennent des éléments toxiques tels que le plomb ou le cadmium, et d'autres reposent sur des éléments tels que l'indium qui sont en quantité limitée. Mais le silicium est à la fois sûr et abondant. C'est aussi bien étudié, dit Christiana Honsberg , professeur d'ingénierie électrique et informatique à l'Université du Delaware, afin que les ingénieurs sachent comment l'utiliser pour fabriquer des cellules solaires. En effet, pour bon nombre des mêmes raisons, le silicium est de loin le matériau le plus courant dans les cellules solaires aujourd'hui, et il est attrayant comme base pour un déploiement plus large du photovoltaïque à l'avenir.
Avant les travaux du NREL, les chercheurs pensaient que des cristaux de silicium suffisamment petits pour produire l'effet multiélectronique seraient peu pratiques en tant que matériau photovoltaïque. À l'échelle nanométrique, les propriétés optiques du silicium changent de sorte qu'il convertit moins de lumière de l'extrémité rouge du spectre en électrons. En conséquence, tout gain résultant d'une conversion plus efficace de la lumière bleue et ultraviolette serait compensé. Nozik et ses collègues ont découvert que les nanocristaux n'avaient pas besoin d'être aussi petits qu'on le pensait auparavant, contournant ce problème.
Certes, les travaux du NREL ne sont qu'un premier pas. Fabriquer des cellules solaires qui tirent parti de la génération multiélectronique est un défi. En effet, les électrons supplémentaires ont une durée de vie très courte, ce qui rend difficile leur extraction des nanocristaux pour générer un courant électrique. En effet, cela s'est avéré si difficile que la preuve de l'effet est venue de méthodes indirectes telles que la spectroscopie plutôt que du courant généré par une cellule solaire. L'utilisation de mesures indirectes a conduit certains experts éminents à se demander si les électrons supplémentaires sont réellement produits, bien que Nozik affirme que l'effet a été confirmé à l'aide de plusieurs techniques. Nozik et ses collègues travaillent maintenant à fabriquer des cellules solaires à partir de nanocristaux de silicium - ils explorent un certain nombre de nouvelles conceptions - et il dit qu'ils ont récemment effectué des mesures directes indiquant que leurs cellules libèrent plusieurs électrons par photon absorbé. (Leurs résultats n'ont pas encore été publiés.)
Honsberg est prudemment optimiste, qualifiant la découverte de l'effet multi-électrons dans les nanocristaux de silicium de percée, mais seulement une percée sur peut-être trois ou quatre était nécessaire pour produire des cellules solaires bon marché et super efficaces.