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Rendre le silicium moins réfléchissant
Les cellules solaires au silicium réfléchissent environ un tiers de la lumière qu'elles pourraient potentiellement convertir en électricité. Un nouveau revêtement nanostructuré développé par des chercheurs du Rennselaer Polytechnic Institute (RPI), à Troy, NY, réduit ces réflexions à seulement 4 %. Professeur de physique appliquée Shawn Yu Lin et ses collègues calculent que le revêtement pourrait augmenter l'efficacité d'une cellule solaire au silicium pour convertir la lumière en électricité de près de 43%. Ils ont présenté leurs résultats dans un 29 octobre Lettres d'optique papier.
Pas de miroir : Un revêtement antireflet à sept couches de 700 nanomètres d'épaisseur sur une plaquette de silicium réduit la réflexion de la lumière solaire entrant à presque toutes les longueurs d'onde et tous les angles. Le revêtement pourrait augmenter l'efficacité des cellules solaires au silicium.
Le nouveau revêtement offre un antireflet pour la lumière du soleil entrant dans presque tous les angles et toutes les longueurs d'onde de la lumière du soleil, dit Lin. C'est une structure de 700 nanomètres d'épaisseur de différentes couches de matériaux que les chercheurs font pousser sur une plaquette de silicium. Le revêtement multicouche réduit la réflexion des longueurs d'onde visibles et proches de l'infrarouge que le silicium peut convertir en électricité.
Les fabricants de cellules solaires utilisent actuellement une fine couche de nitrure de silicium pour réduire la réflexion. Mais la couche élimine la réflexion d'une gamme très étroite de longueurs d'onde - son épaisseur dicte la gamme. Un autre problème est que cela ne fonctionne bien que pour la lumière entrant sous certains angles. Les plaquettes de silicium recouvertes de nitrure de silicium réfléchissent près de 20 % de la lumière utile qui leur tombe dessus.
Lin et ses collègues avaient déjà conçu un revêtement similaire pour le nitrure d'aluminium, qui est utilisé pour fabriquer des diodes électroluminescentes. Le nouveau revêtement, cependant, est conçu spécifiquement pour le silicium, le matériau largement utilisé dans les cellules solaires. Le revêtement comporte sept couches : les deux inférieures sont constituées d'oxyde de titane, les trois du milieu de divers mélanges de silice et d'oxyde de titane et les deux supérieures de tiges de silice inclinées à l'échelle nanométrique.
La réflexion à l'interface entre deux matériaux, dans ce cas l'air et le silicium, dépend de la différence entre leurs indices de réfraction, c'est-à-dire la capacité du matériau à courber la lumière. Réduire la différence réduit la réflexion. L'air a un indice de réfraction de 1, tandis que celui du silicium est de 3,5. Les chercheurs utilisent les couches pour décomposer cet écart en étapes plus petites. La couche supérieure de nanotige de silice a un indice de 1,09 et, en descendant, chaque couche a un indice de plus en plus grand. L'agencement séquentiel de la nanostructure multicouche permet à la lumière du soleil d'avoir un atterrissage en douceur sur la cellule solaire, dit Lin. La lumière se plie progressivement de plus en plus au fur et à mesure qu'elle traverse chaque couche, et elle est moins réfléchie dans l'air.
Les chercheurs déposent les nanotiges de silice inclinées dans les deux couches supérieures en maintenant la plaquette à un angle. En contrôlant les angles des nanotiges, les chercheurs contrôlent la porosité du matériau, créant des couches avec des indices de réfraction extrêmement bas.
Lin et son groupe chez RPI ne sont pas les seuls à travailler sur le problème. Peng Jiang , professeur de génie chimique à l'Université de Floride, fabrique des revêtements antireflet en gravant la surface du silicium, créant ainsi un ensemble de minuscules piliers de silicium mesurant moins de 300 nanomètres de haut. Nos meilleurs échantillons reflètent moins de 1% de la lumière, de sorte que la surface semble complètement sombre, dit Jiang. Son travail a suscité l'intérêt des fabricants européens de cellules solaires et il crée actuellement une start-up pour fabriquer le revêtement à plus grande échelle.
Lin dit que le revêtement augmenterait le coût d'une cellule solaire de quelques points de pourcentage, pas plus que les couches actuelles de nitrure de silicium n'y contribuent. Les chercheurs envisagent maintenant de fabriquer des revêtements plus robustes adaptés à une utilisation avec des cellules solaires.