Des physiciens de l'Université du Luxembourg et des scientifiques internationaux ont étudié le processus d'oxydation des matériaux des cellules solaires dont les résultats pourraient changer la façon actuelle de produire des cellules solaires. L'étude a été publiée dans la célèbre revue Communication Nature en juillet 2020.

Les limites de phase sont des points critiques pour les propriétés des matériaux. L'équipe de recherche vient de découvrir que lorsque les matériaux utilisés pour les cellules solaires sont proches d'une limite de phase, le processus d'oxydation crée beaucoup plus de dommages que la simple oxydation.

Cette publication est le résultat d'un projet de recherche de quatre ans et d'une collaboration fructueuse au sein du Département de physique et science des matériaux (DPhyMS) entre le Laboratoire des matériaux énergétiques (LEM) dirigé par le Pr Phillip Dale et le Laboratoire de photovoltaïque (LPV) dirigé par le professeur Susanne Siebentritt. Le projet a été mené avec succès par Diego Colombara et Hossam Elanzeery qui étaient à l'époque chercheur postdoctoral et doctorant à l'Université du Luxembourg, respectivement.

L'équipe explique plus en détail le projet.

Qu'est-ce qu'une limite de phase pour les matériaux des cellules solaires ?

"Quand la glace fond et devient eau, il traverse une limite de phase. Dans ce cas, c'est la température qui fait que le matériau traverse la limite de phase. Dans les semi-conducteurs composés, comme le séléniure de cuivre et d'indium, qui est utilisé dans les cellules solaires, c'est la composition qui fait que le matériau traverse la limite de phase. Dans le cristal idéal, il y a autant de Cu que d'In, et lorsqu'il y a plus de Cu que d'In, le matériau est dans une phase différente que lorsqu'il y a moins de Cu que d'In."

Comment contrôlez-vous ce changement ?

"Nous pouvons contrôler cela par le processus de dépôt. C'est connu depuis longtemps, que lorsque le matériau s'oxyde, par exemple, quand on le laisse trop longtemps en l'air, il forme un oxyde d'indium. Ce que nous avons maintenant trouvé est :lorsque le matériau riche en Cu s'oxyde, il forme non seulement de l'oxyde d'indium mais il devient aussi trop riche en Cu. Donc, le Cu doit quitter le matériau. Et ce faisant, il emporte le sélénium avec lui, former de nouveaux défauts, les vacances de sélénium. Et ceux-ci sont mauvais pour les cellules solaires. Cette idée n'est pas seulement importante pour la façon dont nous fabriquons des cellules solaires. Les matériaux séléniures ont d'autres applications dans le stockage de données, laser et communication. Les résultats seront également pertinents pour les autres séléniures ou sulfures qui présentent des limites de phases similaires. »

Comment pouvons-nous construire de meilleures cellules solaires ?

"Nous connaissons maintenant le mécanisme à l'origine de l'émergence de ces défauts dommageables dans nos cellules solaires et avons déjà découvert qu'il est possible d'annuler partiellement ces défauts une fois qu'ils sont formés, en forçant un excès de sélénium de l'extérieur. En s'appuyant sur cette base de connaissances, nous allons concevoir des méthodes de fabrication qui empêchent complètement la formation de défauts, dans le cadre de notre feuille de route pour une conversion plus efficace de l'énergie solaire."