Schéma d'une cellule solaire à double couche mince. Le soleil entre par le haut et atteint les couches CIGS et CZTSSe qui absorbent la lumière et créent des particules positives et négatives qui se déplacent vers les couches de contact supérieure et inférieure, produire de l'électricité. Crédit :Akhlesh Lakhtakia, État de Pennsylvanie
Les cellules solaires ont parcouru un long chemin, mais pas cher, les cellules solaires à couches minces sont encore loin derrière plus chères, cellules solaires cristallines en efficacité. Maintenant, une équipe de chercheurs suggère que l'utilisation de deux films minces de matériaux différents peut être la voie à suivre pour créer un prix abordable, cellules à couche mince avec une efficacité d'environ 34 %.
« Il y a dix ans, je connaissais très peu les cellules solaires, mais il est devenu clair pour moi qu'ils étaient très importants, " dit Akhlesh Lakhtakia, Professeur de l'Université Evan Pugh et professeur Charles Godfrey Binder de sciences de l'ingénieur et de mécanique, État de Penn.
Enquêter sur le terrain, il a découvert que les chercheurs abordaient les cellules solaires des deux côtés, le côté optique - en regardant comment la lumière du soleil est collectée - et le côté électrique - en regardant comment la lumière solaire collectée est convertie en électricité. Les chercheurs en optique s'efforcent d'optimiser la capture de la lumière, tandis que les chercheurs en électricité s'efforcent d'optimiser la conversion en électricité, les deux côtés simplifiant l'autre.
"J'ai décidé de créer un modèle dans lequel les aspects électriques et optiques seront traités de manière égale, " a déclaré Lakhtakia. " Nous avions besoin d'augmenter l'efficacité réelle, car si l'efficacité d'une cellule est inférieure à 30%, cela ne fera aucune différence. » Les chercheurs rapportent leurs résultats dans un récent numéro de Lettres de physique appliquée .
Lakhtakia est un théoricien. Il ne fait pas de couches minces en laboratoire, mais crée des modèles mathématiques pour tester les possibilités de configurations et de matériaux afin que d'autres puissent tester les résultats. Le problème, il a dit, était que la structure mathématique d'optimisation de l'optique et de l'électrique est très différente.
Les cellules solaires semblent être de simples appareils, il expliqua. Une couche supérieure transparente permet à la lumière du soleil de tomber sur une couche de conversion d'énergie. Le matériau choisi pour convertir l'énergie, absorbe la lumière et produit des flux d'électrons chargés négativement et des trous chargés positivement se déplaçant dans des directions opposées. Les particules chargées différemment sont transférées vers une couche de contact supérieure et une couche de contact inférieure qui canalisent l'électricité hors de la cellule pour être utilisée. La quantité d'énergie qu'une cellule peut produire dépend de la quantité de lumière solaire collectée et de la capacité de la couche de conversion. Différents matériaux réagissent et convertissent différentes longueurs d'onde de la lumière.
"Je me suis rendu compte que pour augmenter l'efficacité, nous devions absorber plus de lumière, " a déclaré Lakhtakia. " Pour ce faire, nous avons dû rendre la couche absorbante non homogène d'une manière spéciale. "
Cette manière spéciale consistait à utiliser deux matériaux absorbants différents dans deux films minces différents. Les chercheurs ont choisi des CIGS (cuivre indium gallium diséléniure) et CZTSSe (cuivre zinc étain soufre séléniure) disponibles dans le commerce pour les couches. Par lui-même, L'efficacité du CIGS est d'environ 20 % et celle du CZTSSe d'environ 11 %.
Ces deux matériaux fonctionnent dans une cellule solaire car la structure des deux matériaux est la même. Ils ont à peu près la même structure de réseau, afin qu'ils puissent être cultivés les uns sur les autres, et ils absorbent différentes fréquences du spectre, ils devraient donc augmenter l'efficacité, selon Lakhtakia.
"C'était incroyable, " a déclaré Lakhtakia. " Ensemble, ils ont produit une cellule solaire avec une efficacité de 34 %. Cela crée une nouvelle architecture de cellules solaires, couche après couche. D'autres qui peuvent réellement fabriquer des cellules solaires peuvent trouver d'autres formulations de couches et peut-être faire mieux. »
Selon les chercheurs, l'étape suivante consiste à les créer expérimentalement et à voir quelles sont les options pour obtenir le résultat final, meilleures réponses.
