Arrêtez-vous un instant et imaginez un réseau routier efficace. Pas besoin de jockey pour la position, pas d'étranglement fusionnant de trois voies en une, pas de longs ralentis aux feux de circulation intempestifs, pas de barrages routiers roulants alors que l'automobiliste devant vous se prépare pour un virage qui est encore à cinq milles de distance. Quel que soit le nombre de voitures, vous sauriez à quoi ressemble une navigation en douceur.

C'est la vie que les chercheurs à l'état solide veulent pour les électrons alors qu'ils travaillent pour capturer l'extraordinaire énergie du soleil et la convertir en électricité.

S'il s'agissait d'une solution facile – tout ce travail de capture et de conversion – le scientifique Brian McCandless pourrait passer plus de temps avec sa cornemuse.

Mais lui et de nombreux autres chercheurs ont relevé le défi d'améliorer le trafic d'électrons dans les cellules solaires pendant des décennies. McCandless, de l'Institute of Energy Conversion de l'Université du Delaware, s'est particulièrement concentré sur l'efficacité de conversion et le coût du photovoltaïque à couches minces, qui offrent des prix compétitifs pour la production d'énergie solaire.

Maintenant, McCandless et ses collaborateurs du National Renewable Energy Lab à Golden, Colorado, ont fait des percées importantes, avec l'invention brevetée UD de McCandless qui porte un nom semblable à celui de Star Trek - un système de dépôt par transport de vapeur - et la vérification à plus grande échelle de ses capacités par NREL.

Avec ça, ils ont démontré une nouvelle façon d'ajuster les propriétés des films minces qui offre une efficacité accrue et des coûts réduits, ouvrant la porte à des avancées encore plus importantes.

Leurs découvertes, réalisé avec le soutien du département américain de l'Énergie, ont été publiés dans Nature's Rapports scientifiques .

La technologie des couches minces représente une part faible mais croissante du marché solaire par rapport aux plaquettes de silicium beaucoup plus courantes, mais les films minces présentent de nombreux avantages par rapport à ces plaquettes. Les films minces permettent une production rapide de plus flexibles, panneaux solaires légers, élargir les options de conception et d'application.

La barre des hautes eaux pour l'efficacité des couches minces a été fixée en 2016 à 22,1 pour cent, ce qui signifie qu'une grande partie de la lumière solaire captée est convertie directement en électricité.

Maintenant, McCandless a déclaré qu'il réfléchissait à des mots qu'il n'utilisait pas à la légère – une "percée technologique" tant attendue.

Mais d'abord, un bref rappel sur la façon dont nous capturons et traitons l'énergie du soleil, qui fournit suffisamment de matières premières en une heure pour alimenter notre planète pendant une année complète.

La méthode de capture du soleil la plus courante est celle des panneaux solaires que vous voyez sur les toits des résidences ou inclinés vers le ciel dans d'autres contextes. Des cellules spécialement conçues sur ces panneaux – généralement constituées de silicium – capturent les photons riches en énergie qui nous sont prodigués à chaque flux de lumière solaire. Un jour ensoleillé, il y en a environ 1, 000 watts de lumière du soleil frappant chaque mètre carré de la surface de la Terre.

Lorsque ces photons solaires frappent des matériaux photovoltaïques, ils sont convertis en électrons et en trous. Lorsqu'il est dirigé dans le bon sens à l'intérieur du matériau, ils peuvent produire une tension électrique et un flux d'électricité, résultant en puissance.

Les matériaux à couche mince sont composés de millions de cristaux par pouce carré, superposés sur des matériaux de base appelés substrats utilisant à la fois la chaleur et la pression et « cultivés » – ou accumulés – dans des piles de dispositifs appelées « cellules solaires ». L'astuce consiste à ajuster la propriété de chaque grain cristallin au fur et à mesure que cette croissance se produit.

Le nouvel outil breveté de McCandless, le système de dépôt par transport de vapeur, est utilisé pour effectuer ces réglages fins pendant la croissance du film, l'incorporation de petites quantités d'éléments supplémentaires dans les cristaux de la couche mince à des températures qui permettent de contrôler les propriétés de manière à améliorer les performances de la cellule solaire.

Lorsque les atomes incorporés sont actifs, ils produisent ce qu'on appelle du « dopage, " qui augmente la conductivité et augmente la tension qui peut être produite par la cellule. Combiné avec d'autres processus après croissance, un flux efficace d'électrons vers l'électrode est accéléré - la façon dont vous pouvez améliorer la circulation routière en ouvrant une nouvelle voie ou en ajoutant de nouveaux points d'accès. Il est essentiel de trouver le bon mélange de dopage et de ces autres processus – un processus qui ne crée pas d'autres problèmes ou n'affecte pas l'endurance de ces électrons.

Les recherches de McCandless ont utilisé l'un des matériaux à couche mince les plus importants, tellurure de cadmium (CdTe), et testé trois scénarios et traitements de dopage, à l'aide d'antimoine (Sb), l'arsenic (As) et le phosphore (P). Chacun a conduit à des ensembles uniques de propriétés et tous ont abouti à des niveaux de dopage nettement plus élevés, avec l'arsenic et l'antimoine donnant le plus haut.

"Le tellurure de cadmium absorbe vraiment la lumière du soleil, vraiment bien, " a déclaré McCandless. " Beaucoup de propriétés le rendent génial. Mais nous n'obtenions qu'environ 0,8 volt de n'importe quelle cellule. Avec ses propriétés d'absorption élevées et sa bande interdite optimale, nous devrions être capables de générer 1,1 volts."

Il existe des limitations thermodynamiques lors de la croissance de ces films, mais ce problème a été résolu dans le nouveau processus, trop.

"Si vous prenez un réseau de tellurure de cadmium, sortez un des tellures et enfoncez un de ces éléments, il manque maintenant un électron, " a déclaré McCandless. " A cause de la thermodynamique, il ne veut pas rester dans cet état. Mais si vous congelez le réseau en le faisant pousser assez vite et en le refroidissant assez vite, vous obtenez cet électron manquant supplémentaire - le trou que nous recherchons - et vous avez une conductivité plus élevée."

Le réseau routier de l'électron a été amélioré, en d'autres termes.

Jusqu'à maintenant, un dopage élevé des couches minces de tellurure de cadmium avait échappé aux scientifiques et aux ingénieurs. Désormais, des tensions supérieures à 1 volt et des rendements de 25 % deviennent possibles. La prochaine partie du puzzle augmente le flux d'électrons en adaptant d'autres processus.

"Nous avons démontré que nous pouvons faire le dopage de manière contrôlable, ", a-t-il déclaré. "Maintenant, nous voulons réduire la quantité incorporée nécessaire en utilisant moins de ces éléments et obtenir toujours le même avantage."

McCandless et IEC ont élaboré la chimie et NREL a déterminé comment intégrer les films dans une cellule solaire complète avec des performances plus élevées.

"Ils ont validé les mesures que nous avons faites sur des films et ont reproduit la technique dans leur laboratoire, " il a dit.

L'outil unique - le système de dépôt par transport de vapeur - a été développé avec l'aide de Wayne Buchanan de la CEI, Champs de Shannon, Greg Hanket, Erten Eser et Bob Birkmire.

Une efficacité et une tension accrues auront de merveilleux effets en cascade, y compris la réduction de la dépendance aux combustibles fossiles et l'élargissement de l'accès aux énergies renouvelables.

« Cela montre aux personnes compétentes dans l'art qu'il existe une voie à suivre pour la tension, " a déclaré McCandless.