Les physiciens de l'Université de Warwick ont ​​aujourd'hui, Jeudi 19 avril 2018, publié de nouvelles recherches dans le fournal Science aujourd'hui 19 avril 2018 (via les pages First Release du Journal) qui pourraient littéralement tirer plus de puissance des cellules solaires en déformant physiquement chacun des cristaux des semi-conducteurs utilisés par les cellules photovoltaïques.

L'article intitulé « L'effet flexo-photovoltaïque » a été rédigé par le professeur Marin Alexe, Ming Min Yang, et Dong Jik Kim, tous basés au département de physique de l'Université de Warwick.

Les chercheurs de Warwick ont ​​examiné les contraintes physiques sur la conception actuelle de la plupart des cellules solaires commerciales qui imposent une limite absolue à leur efficacité. La plupart des cellules solaires commerciales sont formées de deux couches créant à leur frontière une jonction entre deux types de semi-conducteurs, type p avec porteurs de charge positifs (trous qui peuvent être remplis par des électrons) et type n avec porteurs de charge négatifs (électrons).

Lorsque la lumière est absorbée, la jonction des deux semi-conducteurs entretient un champ interne divisant les porteurs photo-excités dans des sens opposés, générer un courant et une tension à travers la jonction. Sans de telles jonctions, l'énergie ne peut pas être récupérée et les porteurs photo-exités se recombinent simplement rapidement en éliminant toute charge électrique.

Cette jonction entre les deux semi-conducteurs est fondamentale pour tirer de l'énergie d'une telle cellule solaire, mais elle a une limite d'efficacité. Cette limite de Shockley-Queisser signifie que de toute la puissance contenue dans la lumière du soleil tombant sur une cellule solaire idéale dans des conditions idéales, seul un maximum de 33,7% peut être transformé en électricité.

Il existe cependant une autre façon pour certains matériaux de collecter des charges produites par les photons du soleil ou d'ailleurs. L'effet photovoltaïque de masse se produit dans certains semi-conducteurs et isolants où leur manque de symétrie parfaite autour de leur point central (leur structure non centrosymétrique) permet de générer une tension qui peut être en réalité plus grande que la bande interdite de ce matériau (la bande interdite étant la entre la bande de valence la plus haute plage d'énergies électroniques dans laquelle les électrons sont normalement présents au zéro absolu de température et la bande de conduction où l'électricité peut circuler).

Malheureusement, les matériaux connus pour présenter l'effet photovoltaïque anormal ont des rendements de production d'énergie très faibles, et ne sont jamais utilisés dans les systèmes de production d'électricité pratiques.

L'équipe de Warwick s'est demandé s'il était possible de prendre les semi-conducteurs qui sont efficaces dans les cellules solaires commerciales et de les manipuler ou de les pousser d'une manière ou d'une autre afin qu'ils puissent eux aussi être forcés dans une structure non centrosymétrique et peut-être donc également bénéficier de l'effet photovoltaïque de masse. .

Pour cet article, ils ont décidé d'essayer littéralement de mettre de tels semi-conducteurs en forme en utilisant des pointes conductrices d'appareils de microscopie à force atomique vers un "nano-indenteur" qu'ils ont ensuite utilisé pour presser et déformer des cristaux individuels de titane de strontium (SrTiO3), Dioxyde de Titane (TiO2), et le silicium (Si).

Ils ont constaté que tous les trois pouvaient être déformés de cette manière pour leur donner également une structure non centrosymétrique et qu'ils étaient en effet alors capables de donner l'effet photovoltaïque de masse.

Le professeur Marin Alexe de l'Université de Warwick a déclaré :

« L'extension de la gamme de matériaux pouvant bénéficier de l'effet photovoltaïque de masse présente plusieurs avantages :il n'est pas nécessaire de former n'importe quel type de jonction; tout semi-conducteur avec une meilleure absorption lumineuse peut être sélectionné pour les cellules solaires, et enfin, la limite thermodynamique ultime du rendement de conversion de puissance, ce qu'on appelle la limite de Shockley-Queisser, peut être surmonté. Il y a des défis d'ingénierie, mais il devrait être possible de créer des cellules solaires où un champ de simples pointes à base de verre (une centaine de millions par cm2) pourrait être maintenu en tension pour déformer suffisamment chaque cristal semi-conducteur. Si une telle ingénierie future pouvait ajouter ne serait-ce qu'un seul point de pourcentage d'efficacité, elle aurait une immense valeur commerciale pour les fabricants de cellules solaires et les fournisseurs d'électricité. »