Les microscopies électroniques à balayage (MEB) montrent la régularité de la disposition des entonnoirs gravés dans un substrat de silicium (à gauche :le segment de ligne =5 microns; à droite :1 micron). Les entonnoirs mesurent environ 800 nanomètres de diamètre au-dessus et descendent jusqu'à une centaine de nanomètres à la pointe. Crédit :S. Schmitt / MPL
La fovéa centralis, ou fovéa en abrégé, se trouve au milieu de la Macula lutea (ou macula) de la rétine, où le svelte, les cônes oculaires en forme d'entonnoir sont particulièrement serrés les uns contre les autres. Nous voyons une image avec la plus grande acuité dans cette petite région car chaque cône y est connecté à une cellule nerveuse.
Cet arrangement serré de cônes a maintenant inspiré l'équipe dirigée par le professeur Silke Christiansen à reproduire quelque chose de similaire dans le silicium en tant que surface pour les cellules solaires et à étudier son aptitude à collecter et à conduire la lumière. Christiansen dirige l'Institut des nanoarchitectures pour la conversion d'énergie au Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) et une équipe de recherche à l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL).
"Nous avons montré dans ce travail que les entonnoirs lumineux absorbent considérablement plus de lumière que les autres architectures optiques testées ces derniers temps", dit Sebastian Schmitt, l'un des deux premiers auteurs de la publication parue dans la célèbre revue Nature Rapports scientifiques .
Petit changement - grand effet !
Les chercheurs ont été surpris de l'ampleur de l'effet de cette architecture, toutefois. Il était connu d'études antérieures que les arrangements de cylindres verticaux très minces (un "tapis" de nanofils de silicium) absorbe bien la lumière. Mais même de minuscules écarts dans la forme des cylindres jusqu'à la forme d'un entonnoir augmentaient l'absorption. En comparaison avec le tapis de nanofils qui fait l'objet d'investigations depuis un certain temps, les champs de l'entonnoir fonctionnent clairement mieux.
La simulation montre comment la concentration de la lumière (rouge =forte concentration, jaune =faible concentration) monte dans les entonnoirs avec un diamètre décroissant de l'extrémité inférieure de l'entonnoir. Crédit :G. Shalev, S. Schmitt/MPL
Pourtant, la fabrication des entonnoirs lumineux ne nécessite aucun effort particulier et est réalisable avec des procédés semi-conducteurs classiques tels que la gravure ionique réactive ou la gravure chimique humide, par exemple. Par rapport à un film de silicium de même épaisseur, une couche d'entonnoirs lumineux augmente l'absorption de la lumière solaire d'environ 65%.
"Notre modélisation nous a également permis de fournir une explication de la raison pour laquelle les réseaux d'entonnoirs lumineux piègent la lumière considérablement mieux qu'un tapis de nanofils (comme le montrent nos calculs dans cette publication). Les modes optiques des nanofils interfèrent les uns avec les autres. les nanofils en réseau captent donc la lumière de manière moins efficace qu'un nombre identique de nanofils simples. C'est exactement le contraire qui se produit avec les entonnoirs lumineux :les entonnoirs lumineux immédiatement voisins renforcent mutuellement l'absorption de l'autre", explique Schmitt
Un regard vers l'avenir
« Suite à ce premier résultat intéressant, nous allons de l'avant dans différentes directions", dit Christiansen. Elle et son équipe travaillent plus avant sur l'amélioration des cellules solaires à couche mince à base de silicium et souhaitent construire les entonnoirs dans des conceptions de cellules robustes qui peuvent être réalisées de manière économique sur de grandes surfaces. Ils pourront accéder à l'expertise du Centre de compétences Thin-Film- and Nanotechnology for Photovoltaics Berlin (PVcomB) de HZB, où la division dirigée par le professeur Rutger Schlatmann s'est spécialisée dans la mise à l'échelle des modèles développés en laboratoire et peut mettre en œuvre rapidement et efficacement études de faisabilité pour les cellules solaires de grande surface. "Nous espérons que vous entendrez à nouveau parler de notre collaboration bientôt à propos d'une cellule solaire à entonnoir de 30 cm x 30 cm. Sebastian Schmitt travaille également sur l'utilisation des entonnoirs pour d'autres applications photoniques dans les LED et les composants de capteurs, bien que. Les premières études pilotes sont si prometteuses que nous sommes convaincus que ces applications ne devront pas rester l'étoffe des rêves", Christiansen propose.
