Les cellules solaires au silicium se sont révélées être une technologie photovoltaïque de pointe, car elles utilisent des matières premières abondantes dans la terre (c'est-à-dire Si) et fonctionnent avec un rendement élevé. Cependant, ils sont basés sur des plaques épaisses, rigides et lourdes et ne peuvent donc être installés qu'en un nombre limité d'endroits. L'un des moyens de pallier cet inconvénient est d'utiliser à la place des membranes fines. Cela réduira la quantité de Si de plus de 99 % (une économie considérable de matières premières) et rendra également les cellules flexibles et légères. En tant que telles, ces cellules peuvent être facilement intégrées dans les bâtiments, l'architecture urbaine et même les petits gadgets du quotidien. Le problème est que ces fines membranes Si ne peuvent pas absorber la lumière aussi efficacement. En fait, seulement 25% de la lumière du soleil est absorbée et vous pouvez même voir à travers.

En utilisant une nouvelle texture de nanostructure conçue de manière rationnelle, des chercheurs de l'AMOLF, de l'Université de Surrey et de l'Imperial College ont trouvé un moyen de rendre opaques les cellules photovoltaïques minces et d'améliorer ainsi leur efficacité. En laboratoire, ils ont découvert que de telles membranes minces texturées absorbent 65 % de la lumière du soleil, ce qui est très proche de la limite d'absorption théorique ultime d'environ 70 %. Il s'agit de l'absorption de lumière la plus élevée jamais démontrée dans une membrane Si aussi fine et il est donc probable que des cellules photovoltaïques Si flexibles, légères et efficaces seront développées dans un proche avenir.

Comment ça marche ?

La nanostructure à motifs redirige judicieusement la lumière directe du soleil dans une gamme d'angles, piégeant ainsi la lumière à l'intérieur de la membrane Si. La lumière étant piégée, elle a plus de chances d'être absorbée et l'épaisseur de la membrane augmente efficacement pour la lumière.

En sachant quels angles lumineux vont piéger les photons à l'intérieur de la membrane de Si, les chercheurs sont capables de concevoir leur nano-modèle basé sur un état de la matière que l'on retrouve souvent dans la nature, de l'ordre de l'univers à la distribution des photo-récepteurs dans les yeux des oiseaux . Alors que les distributions et les modèles hyperuniformes semblent complètement aléatoires, il y a un certain ordre. Ainsi, les conceptions hyperuniformes combinent le meilleur des deux mondes :

• L'ordre permet de guider judicieusement la lumière dans des angles très spécifiques qui sont piégés dans la membrane en fonction de la périodicité du motif.
• Le désordre permet d'augmenter la largeur des angles pouvant être obtenus avec un seul motif, ce qui entraîne une absorption accrue.

Les chercheurs ont démontré qu'il n'existe pas de solution unique, mais plutôt toute une famille de modèles de motifs hyperuniformes qui offrent tous une grande flexibilité de conception sans compromettre les performances optiques. Ceci est très important du point de vue de la mise en œuvre, car toutes les conceptions de nanomodèles ne peuvent pas être facilement fabriquées de manière évolutive.

Défis

La large gamme de couleurs du spectre solaire et les dimensions limitées de la membrane sont deux défis majeurs pour piéger la lumière du soleil dans du Si fin. D'un point de vue photonique, l'optimisation du guidage et du piégeage de la lumière d'une seule couleur est relativement simple et peut être effectuée efficacement à l'aide de structures périodiques. La lumière du soleil, cependant, a de nombreuses couleurs, chacune d'entre elles ayant un pouvoir d'absorption différent dans Si.

Les cellules solaires en Si épais ont résolu ce problème en rendant la surface rugueuse avec des caractéristiques pyramidales de dimensions similaires à celles des longueurs d'onde de la lumière (c'est-à-dire jusqu'à 1 µm pour la lumière rouge, soit moins de 1 % de l'épaisseur totale du Si). Cependant, la même approche ne fonctionnera pas dans des membranes minces d'une épaisseur de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière. L'équipe de recherche a contourné cela en capturant le large éventail de couleurs, y compris les rouges, en ne modelant qu'une fraction de la surface de la cellule. Un tel motif n'est pas seulement applicable au Si mince, comme démontré ici, mais également à tout autre film mince absorbant la lumière qui a besoin d'une aide supplémentaire pour absorber la lumière.

Candidature

Esther Alarcon Llado, chef du groupe AMOLF, déclare que "sur la base des fortes performances de piégeage de la lumière de nos modèles, nous estimons que des efficacités PV supérieures à 20% pourraient être atteintes pour une cellule c-Si de 1 μm d'épaisseur, ce qui représenterait une percée absolue vers flexible , léger c-Si PV. En outre, les absorbeurs Si plus minces sont plus tolérants aux défauts électroniques par rapport aux homologues épais. Cela signifie que les cellules Si minces à haut rendement pourraient également être fabriquées à partir de silicium de qualité inférieure, réduisant ainsi les besoins énergétiques pour le Si brut. purification et en réduisant leur temps de retour énergétique."

"Le PV mince à motifs hyperuniformes est une technologie très prometteuse. Bien qu'il reste encore beaucoup de travail à faire pour intégrer ces cellules minces à haut rendement dans notre environnement de vie, ce travail nous rend très optimistes que cela se produira bientôt." + Explorer plus loin

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