Les cellules solaires de nouvelle génération constituées de films ultrafins de matériau semi-conducteur sont prometteuses car elles sont relativement peu coûteuses et suffisamment flexibles pour être appliquées à peu près n'importe où.

Les chercheurs s'efforcent d'augmenter considérablement l'efficacité avec laquelle les cellules solaires à couche mince convertissent la lumière du soleil en électricité. Mais c'est un défi difficile, en partie parce que le domaine souterrain d'une cellule solaire - où se produit une grande partie de l'action de conversion d'énergie - est inaccessible au temps réel, imagerie non destructive. Il est difficile d'améliorer des processus que vous ne pouvez pas voir.

Maintenant, Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont mis au point un moyen d'utiliser la microscopie optique pour cartographier les cellules solaires à couche mince en 3D lorsqu'elles absorbent des photons.

La méthode, rapporté le 15 novembre dans le journal Matériaux avancés , a été développé à la Fonderie Moléculaire, une installation utilisateur du DOE Office of Science située à Berkeley Lab. Il image la dynamique optoélectronique des matériaux à l'échelle du micron, ou beaucoup plus mince que le diamètre d'un cheveu humain. C'est assez petit pour voir les joints de grains individuels, interfaces de substrat, et d'autres obstacles internes qui peuvent piéger les électrons excités et les empêcher d'atteindre une électrode, qui sape l'efficacité d'une cellule solaire.

Jusque là, les scientifiques ont utilisé cette technique pour mieux comprendre pourquoi l'ajout d'un produit chimique spécifique aux cellules solaires en tellurure de cadmium (CdTe), le matériau à couche mince le plus courant, améliore les performances des cellules solaires.

« Pour faire de gros gains en efficacité photovoltaïque, nous devons voir ce qui se passe dans un matériau photovoltaïque en état de marche à l'échelle du micron, à la fois en surface et en dessous, et notre nouvelle approche nous permet de le faire, " dit Edouard Barnard, associé principal en ingénierie scientifique à la Molecular Foundry. Il a mené l'effort avec James Schuck, le directeur de l'installation Imagerie et Manipulation des Nanostructures de la Fonderie Moléculaire.

La méthode d'imagerie est née d'une collaboration entre les scientifiques de Molecular Foundry et les utilisateurs de Foundry de PLANT PV Inc., un Alameda, Entreprise californienne. Lors de la fabrication de nouveaux matériaux de cellules solaires à la Fonderie Moléculaire, l'équipe a découvert que les techniques optiques standard ne pouvaient pas imager le fonctionnement interne des matériaux, ils ont donc développé la nouvelle technique pour obtenir cette vue. Prochain, des scientifiques du National Renewable Energy Laboratory sont venus à la Molecular Foundry et ont utilisé la nouvelle méthode pour étudier les cellules solaires CdTe.

Pour développer l'approche, les scientifiques ont modifié une technique appelée microscopie à deux photons (utilisée par les biologistes pour voir à l'intérieur d'échantillons épais tels que des tissus vivants) afin qu'elle puisse être appliquée aux matériaux semi-conducteurs en vrac.

La méthode utilise un faisceau laser hautement focalisé de photons infrarouges qui pénètrent à l'intérieur du matériau photovoltaïque. Lorsque deux photons de basse énergie convergent au même endroit, il y a assez d'énergie pour exciter les électrons. Ces électrons peuvent être suivis pour voir combien de temps ils durent dans leur état excité, avec des électrons à longue durée de vie apparaissant sous forme de points lumineux dans les images de microscopie. Dans une cellule solaire, les électrons à longue durée de vie sont plus susceptibles d'atteindre une électrode.

En outre, le faisceau laser peut être systématiquement repositionné à travers une cellule solaire de taille test, créer une carte en 3D de l'ensemble de la dynamique optoélectronique d'une cellule solaire.

La méthode a déjà mis en lumière les avantages du traitement des cellules solaires CdTe avec du chlorure de cadmium, qui est souvent ajouté au cours du processus de fabrication.

Les scientifiques savent que le chlorure de cadmium améliore l'efficacité des cellules solaires CdTe, mais son effet sur les électrons excités à l'échelle du micron n'est pas bien compris. Des études ont montré que les ions chlore ont tendance à s'accumuler aux joints de grains, mais comment cela change la durée de vie des électrons excités n'est pas clair.

Grâce à la nouvelle technique d'imagerie, les chercheurs ont découvert que le traitement au chlorure de cadmium augmente la durée de vie des électrons excités aux joints de grains, ainsi que dans les grains eux-mêmes. Ceci est facilement visible sur les images 3D de cellules solaires CdTe avec et sans traitement. La cellule solaire traitée « s'éclaire » beaucoup plus uniformément dans tout le matériau, à la fois dans les grains et les espaces entre les deux.

"Les scientifiques savent que la passivation au chlorure de cadmium améliore la durée de vie des électrons dans les cellules CdTe, mais maintenant nous avons cartographié à l'échelle du micron où cette amélioration se produit, " dit Barnard.

La nouvelle technique d'imagerie pourrait aider les scientifiques à prendre des décisions plus éclairées sur l'amélioration d'une multitude de matériaux de cellules solaires à couche mince en plus du CdTe, tels que la pérovskite et les composés organiques.

"Les chercheurs essayant de pousser l'efficacité photovoltaïque pourraient utiliser notre technique pour voir si leurs stratégies fonctionnent à l'échelle microscopique, qui les aidera à concevoir de meilleures cellules solaires à l'échelle des tests - et éventuellement des cellules solaires de taille normale pour les toits et d'autres applications du monde réel, " il dit.