(PhysOrg.com) -- Les chercheurs du Berkeley Lab ont trouvé un meilleur moyen de piéger la lumière dans les cellules photovoltaïques grâce à l'utilisation de réseaux verticaux de nanofils de silicium. Cela pourrait réduire considérablement les coûts de l'énergie électrique solaire en réduisant la quantité et la qualité de silicium nécessaires pour des panneaux solaires efficaces.

Les cellules solaires fabriquées à partir de silicium devraient être un facteur important dans les futures équations d'énergie verte renouvelable, mais jusqu'à présent, la promesse a largement dépassé la réalité. Bien qu'il existe maintenant des panneaux photovoltaïques au silicium qui peuvent convertir la lumière du soleil en électricité avec des rendements impressionnants de 20 %, le coût de cette énergie solaire est prohibitif pour une utilisation à grande échelle. Chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), cependant, développent une nouvelle approche qui pourrait réduire considérablement ces coûts. La clé de leur succès est une meilleure façon de piéger la lumière du soleil.

"Grâce à la fabrication de films minces à partir de réseaux ordonnés de nanofils de silicium verticaux, nous avons pu augmenter le piégeage de la lumière dans nos cellules solaires d'un facteur 73, " dit le chimiste Peidong Yang, qui a mené cette recherche. « La technique de fabrication derrière cette extraordinaire amélioration du piégeage de la lumière étant un processus de chimie aqueuse relativement simple et évolutif, nous pensons que notre approche représente une voie économiquement viable vers une haute efficacité, cellules solaires à couche mince à faible coût.

Yang occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux de Berkeley Lab, et le département de chimie de l'Université de Californie à Berkeley. Il est une autorité de premier plan sur les nanofils semi-conducteurs - des bandes unidimensionnelles de matériaux dont la largeur ne mesure qu'un millième de celle d'un cheveu humain mais dont la longueur peut s'étendre sur plusieurs microns.

« Les cellules solaires typiques sont fabriquées à partir de plaquettes de silicium monocristallin ultrapur très coûteuses qui nécessitent environ 100 micromètres d'épaisseur pour absorber la majeure partie de la lumière solaire, considérant que notre géométrie radiale nous permet de piéger efficacement la lumière avec des réseaux de nanofils fabriqués à partir de films de silicium d'une épaisseur d'environ huit micromètres seulement, " il dit. "En outre, notre approche devrait en principe nous permettre d'utiliser du silicium de qualité métallurgique ou « sale » plutôt que les cristaux de silicium ultrapur aujourd'hui requis, ce qui devrait encore réduire les coûts.

Yang a décrit cette recherche dans un article publié dans la revue Lettres nano , qu'il a co-écrit avec Erik Garnett, un chimiste qui était alors membre du groupe de recherche de Yang. L'article s'intitule « Piégeage de la lumière dans les cellules solaires à nanofils de silicium. »

Produire de l'électricité à partir de la lumière du soleil

Au cœur de toutes les cellules solaires se trouvent deux couches distinctes de matériau, un avec une abondance d'électrons qui fonctionne comme un pôle négatif, et un avec une abondance de trous d'électrons (espaces énergétiques chargés positivement) qui fonctionne comme un pôle positif. Lorsque les photons du soleil sont absorbés, leur énergie est utilisée pour créer des paires électron-trou, qui sont ensuite séparés à l'interface entre les deux couches et collectés sous forme d'électricité.

En raison de ses propriétés photo-électroniques supérieures, le silicium reste le semi-conducteur photovoltaïque de choix mais la demande croissante a gonflé le prix de la matière première. Par ailleurs, en raison du haut niveau de purification des cristaux requis, même la fabrication de la cellule solaire à base de silicium la plus simple est un complexe, processus énergivore et coûteux.

Yang et son groupe sont capables de réduire à la fois la quantité et les exigences de qualité pour le silicium en utilisant des réseaux verticaux de jonctions p-n radiales nanostructurées plutôt que des jonctions p-n planaires conventionnelles. Dans une jonction p-n radiale, une couche de silicium de type n forme une enveloppe autour d'un noyau de nanofil de silicium de type p. Par conséquent, les électrons et les trous photo-excités parcourent des distances beaucoup plus courtes jusqu'aux électrodes, éliminant un goulot d'étranglement du porteur de charge qui survient souvent dans une cellule solaire au silicium typique. Le tableau de géométrie radiale également, comme l'ont révélé les mesures de photocourant et de transmission optique par Yang et Garrett, améliore grandement le piégeage de la lumière.

« Étant donné que chaque nanofil du réseau a une jonction p-n, chacun agit comme une cellule solaire individuelle, ", dit Yang. « En ajustant la longueur des nanofils de nos réseaux, nous pouvons augmenter la longueur de leur chemin de piégeage de la lumière.

Alors que l'efficacité de conversion de ces nanofils solaires n'était que d'environ cinq à six pour cent, Yang dit que cette efficacité a été obtenue avec peu d'efforts mis en passivation de surface, anti reflet, et d'autres modifications améliorant l'efficacité.

"Avec d'autres améliorations, le plus important dans la passivation de surface, nous pensons qu'il est possible de pousser l'efficacité au-dessus de 10 pour cent, ", dit Yang.

Combinant un rendement de conversion de 10 % ou mieux avec des quantités considérablement réduites de matériau de silicium de départ et la possibilité d'utiliser du silicium de qualité métallurgique, devrait faire de l'utilisation des nanofils de silicium un candidat attractif pour un développement à grande échelle.

Comme le dit Yang en plus, « Notre technique peut être utilisée dans les processus de fabrication de panneaux solaires existants. »