Dans toute cellule solaire conventionnelle à base de silicium, il y a une limite absolue sur l'efficacité globale, basé en partie sur le fait que chaque photon de lumière ne peut lâcher qu'un seul électron, même si ce photon transportait le double de l'énergie nécessaire pour le faire. Mais maintenant, les chercheurs ont démontré une méthode pour obtenir des photons de haute énergie frappant le silicium pour expulser deux électrons au lieu d'un, ouvrant la porte à un nouveau type de cellule solaire avec une efficacité supérieure à ce que l'on croyait possible.

Alors que les cellules au silicium conventionnelles ont une efficacité maximale théorique absolue d'environ 29,1 pour cent de conversion de l'énergie solaire, la nouvelle approche, développé au cours des dernières années par des chercheurs du MIT et d'ailleurs, pourrait dépasser cette limite, ajoutant potentiellement plusieurs points de pourcentage à cette production maximale. Les résultats sont décrits aujourd'hui dans la revue La nature , dans un article de l'étudiant diplômé Markus Einzinger, professeur de chimie Moungi Bawendi, professeur de génie électrique et informatique Marc Baldo, et huit autres au MIT et à l'Université de Princeton.

Le concept de base de cette nouvelle technologie est connu depuis des décennies, et la première démonstration que le principe pouvait fonctionner a été faite par certains membres de cette équipe il y a six ans. Mais en fait traduire la méthode en un la cellule solaire au silicium opérationnelle a nécessité des années de travail acharné, dit Baldo.

Cette première démonstration "était une bonne plate-forme de test" pour montrer que l'idée pouvait fonctionner, explique Daniel Congreve Ph.D. '15, un ancien élève maintenant à l'Institut Rowland à Harvard, qui était l'auteur principal de ce rapport précédent et est co-auteur du nouveau document. Maintenant, avec les nouveaux résultats, "nous avons fait ce que nous voulions faire" dans ce projet, il dit.

L'étude originale a démontré la production de deux électrons à partir d'un photon, mais il l'a fait dans une cellule photovoltaïque organique, qui est moins efficace qu'une cellule solaire au silicium. Il s'est avéré que le transfert des deux électrons d'une couche collectrice supérieure en tétracène dans la cellule de silicium "n'était pas simple, " dit Baldo. Troy Van Voorhis, un professeur de chimie au MIT qui faisait partie de cette équipe originale, souligne que le concept a été proposé pour la première fois dans les années 1970, et dit avec ironie que transformer cette idée en un appareil pratique "n'a pris que 40 ans".

La clé pour diviser l'énergie d'un photon en deux électrons réside dans une classe de matériaux qui possèdent des "états excités" appelés excitons, Baldo dit :Dans ces matériaux excitoniques, "ces paquets d'énergie se propagent comme les électrons d'un circuit, " mais avec des propriétés assez différentes de celles des électrons. " Vous pouvez les utiliser pour changer l'énergie - vous pouvez les couper en deux, vous pouvez les combiner." Dans ce cas, ils passaient par un processus appelé fission d'excitons singulet, c'est ainsi que l'énergie de la lumière se divise en deux parties distinctes, déplacer indépendamment des paquets d'énergie. Le matériau absorbe d'abord un photon, former un exciton qui subit rapidement une fission en deux états excités, chacun avec la moitié de l'énergie de l'état d'origine.

Mais la partie délicate était alors de coupler cette énergie dans le silicium, un matériau qui n'est pas excitonique. Ce couplage n'avait jamais été réalisé auparavant.

Comme étape intermédiaire, l'équipe a essayé de coupler l'énergie de la couche excitonique dans un matériau appelé points quantiques. "Ils sont toujours excitoniques, mais ils sont inorganiques, " Baldo dit. "Cela a fonctionné; Ça a marché comme sur des roulettes, " dit-il. En comprenant le mécanisme qui se déroule dans ce matériau, il dit, "nous n'avions aucune raison de penser que le silicium ne fonctionnerait pas."

Ce que ce travail a montré, Van Voorhis dit, est que la clé de ces transferts d'énergie réside dans la surface même du matériau, pas dans sa masse. "Il était donc clair que la chimie de surface sur le silicium allait être importante. C'était ce qui allait déterminer quels types d'états de surface il y avait." Cette concentration sur la chimie de surface a peut-être permis à cette équipe de réussir là où d'autres n'avaient pas réussi, Il suggère.

La clé était dans une fine couche intermédiaire. "Il s'avère que ce petit, une minuscule bande de matériau à l'interface entre ces deux systèmes [la cellule solaire en silicium et la couche de tétracène avec ses propriétés excitoniques] a fini par tout définir. C'est pourquoi d'autres chercheurs n'ont pas pu faire fonctionner ce processus, et pourquoi nous l'avons finalement fait." C'est Einzinger "qui a finalement cassé cette noix, " il dit, en utilisant une couche d'un matériau appelé oxynitrure d'hafnium.

La couche n'a que quelques atomes d'épaisseur, ou seulement 8 angströms (dix milliardièmes de mètre), mais il a agi comme un "beau pont" pour les états excités, dit Baldo. Cela a finalement permis aux photons uniques de haute énergie de déclencher la libération de deux électrons à l'intérieur de la cellule de silicium. Cela produit un doublement de la quantité d'énergie produite par une quantité donnée de lumière solaire dans les parties bleue et verte du spectre. Globalement, qui pourrait produire une augmentation de la puissance produite par la cellule solaire - à partir d'un maximum théorique de 29,1 pour cent, jusqu'à un maximum d'environ 35 pour cent.

Les cellules de silicium réelles ne sont pas encore à leur maximum, et le nouveau matériel non plus, donc plus de développement doit être fait, mais l'étape cruciale du couplage efficace des deux matériaux a maintenant été prouvée. « Nous devons encore optimiser les cellules de silicium pour ce procédé, " dit Baldo. D'une part, avec le nouveau système, ces cellules peuvent être plus fines que les versions actuelles. Un travail doit également être fait sur la stabilisation des matériaux pour la durabilité. Globalement, les applications commerciales sont probablement encore dans quelques années, dit l'équipe.

D'autres approches pour améliorer l'efficacité des cellules solaires ont tendance à impliquer l'ajout d'un autre type de cellule, comme une couche de pérovskite, sur le silicium. Baldo dit "ils construisent une cellule sur une autre. Fondamentalement, nous fabriquons une cellule—nous sommes en quelque sorte en train de suralimenter la cellule en silicium. Nous ajoutons plus de courant dans le silicium, au lieu de faire deux cellules."

Les chercheurs ont mesuré une propriété spéciale de l'oxynitrure d'hafnium qui l'aide à transférer l'énergie excitonique. "Nous savons que l'oxynitrure d'hafnium génère une charge supplémentaire à l'interface, ce qui réduit les pertes par un processus appelé passivation par champ électrique. Si nous pouvons établir un meilleur contrôle de ce phénomène, les efficacités peuvent grimper encore plus haut. ", dit Einzinger. Jusqu'à présent, aucun autre matériau qu'ils ont testé ne peut égaler ses propriétés.