Chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), en collaboration avec des chercheurs de l'institut allemand Fraunhofer ISE, ont piégé efficacement la lumière du soleil dans une cellule solaire grâce à une couche absorbante ultrafine en GaAs de 205 nm d'épaisseur sur un miroir arrière nanostructuré. Cette nouvelle architecture a augmenté l'efficacité de la cellule à près de 20 %.

Jusqu'à maintenant, des cellules solaires à la pointe de la technologie d'une efficacité de 20 % nécessitaient des couches d'au moins un micromètre d'épaisseur de matériau semi-conducteur (GaAs, CdTe ou cuivre indium gallium séléniure), voire 40 µm ou plus, dans le cas du silicium. Une réduction significative de l'épaisseur permettrait d'économiser des matériaux rares comme le tellium ou l'indium et d'améliorer le débit industriel grâce à des temps de dépôt plus courts. Cependant, L'absorbeur d'amincissement réduit automatiquement l'absorption de la lumière du soleil et l'efficacité de conversion. Un miroir plat à l'arrière de la cellule peut conduire à une absorption à double passage, mais pas plus. Les tentatives précédentes de piégeage de la lumière ont été fortement limitées en termes de performances par les pertes optiques et électriques.

Chercheurs de l'équipe dirigée par Stéphane Collin et Andrea Cattoni au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies-C2N (CNRS/Université Paris-Saclay), en collaboration avec le Fraunhofer ISE ont développé une nouvelle stratégie pour piéger la lumière dans des couches ultrafines constituées d'arséniure de gallium de seulement 205 nm d'épaisseur, un semi-conducteur de la famille III-V. L'idée directrice était de produire un miroir arrière nanostructuré pour créer de multiples résonances superposées dans la cellule solaire, identifié comme Fabry-Perot et les résonances en mode guidé. Ils contraignent la lumière à rester plus longtemps dans l'absorbeur, résultant en une absorption optique efficace malgré la faible quantité de matériau. Grâce à de nombreuses résonances, l'absorption est renforcée sur une large gamme spectrale qui s'adapte au spectre solaire du visible à l'infrarouge. Le contrôle de la fabrication de miroirs à motifs à l'échelle nanométrique était un aspect clé du projet. L'équipe a utilisé la lithographie par nanoimpression, un pas cher, technique rapide et évolutive, pour gaufrer un film dérivé sol-gel de dioxyde de titane.

Les cellules solaires ultrafines peuvent-elles être encore améliorées ? L'ouvrage publié dans Énergie naturelle démontre que cette architecture devrait permettre une efficacité de 25 % à court terme. Même si les limites sont encore inconnues, les chercheurs sont convaincus que l'épaisseur pourrait être encore réduite d'au moins un facteur deux sans perte d'efficacité. Les cellules solaires GaAs sont encore commercialement limitées aux applications spatiales en raison de leur coût. Cependant, des chercheurs travaillent déjà à étendre ce concept au photovoltaïque à grande échelle en CdTe, CIGS ou matériaux de silicium.