Ce diagramme schématique d'une cellule solaire organique à couche mince montre la couche supérieure, un motif, couche de diffusion rugueuse, en vert. La couche mince organique, indiqué en rouge, C'est là que la lumière est piégée et que le courant électrique est généré. Le film est pris en sandwich entre deux couches qui aident à garder la lumière contenue dans le film mince.
(PhysOrg.com) -- Les cellules solaires ultra-minces peuvent absorber la lumière du soleil plus efficacement que les plus épaisses, les cellules de silicium plus chères à fabriquer utilisées aujourd'hui, parce que la lumière se comporte différemment à des échelles autour du nanomètre, disent les ingénieurs de Stanford. Ils calculent qu'en configurant correctement les épaisseurs de plusieurs couches minces de films, un film mince de polymère organique pourrait absorber jusqu'à 10 fois plus d'énergie de la lumière du soleil que ce que l'on pensait possible.
Dans la douceur, blanche, monde de salle blanche adapté aux lapins de plaquettes de silicium et de cellules solaires, il s'avère qu'un peu de rugosité peut aller un long chemin, peut-être jusqu'à faire de l'énergie solaire une source d'énergie abordable, disent les ingénieurs de Stanford.
Leurs recherches montrent que la lumière ricochant à l'intérieur du film polymère d'une cellule solaire se comporte différemment lorsque le film est ultra fin. Un film à l'échelle nanométrique et légèrement rugueux peut absorber plus de 10 fois l'énergie prédite par la théorie conventionnelle.
La clé pour surmonter la limite théorique consiste à garder la lumière du soleil dans l'emprise de la cellule solaire assez longtemps pour en extraire le maximum d'énergie, en utilisant une technique appelée « piégeage de la lumière ». C'est comme si vous utilisiez des hamsters roulant sur de petites roues pour générer votre électricité - vous voudriez que chaque hamster parcoure autant de kilomètres que possible avant de sauter et de s'enfuir.
"Plus un photon de lumière est long dans la cellule solaire, meilleures sont les chances que le photon soit absorbé, " a déclaré Shanhui Fan, professeur agrégé de génie électrique. L'efficacité avec laquelle un matériau donné absorbe la lumière du soleil est d'une importance cruciale pour déterminer l'efficacité globale de la conversion de l'énergie solaire. Fan est l'auteur principal d'un article décrivant le travail publié en ligne cette semaine par Actes de l'Académie nationale des sciences .
Le piégeage de la lumière est utilisé depuis plusieurs décennies avec les cellules solaires au silicium et se fait en rendant la surface du silicium rugueuse pour faire rebondir la lumière entrante à l'intérieur de la cellule pendant un certain temps après sa pénétration, plutôt que de se refléter comme sur un miroir. Mais au fil des années, peu importe à quel point les chercheurs ont bricolé la technique, ils ne pouvaient pas augmenter l'efficacité des cellules de silicium "macroscale" typiques au-delà d'une certaine quantité.
Finalement, les scientifiques ont réalisé qu'il y avait une limite physique liée à la vitesse à laquelle la lumière se déplace dans un matériau donné.
Mais la lumière a une double nature, se comportant parfois comme une particule solide (un photon) et d'autres fois comme une onde d'énergie, et Fan et chercheur postdoctoral Zongfu Yu ont décidé d'explorer si la limite conventionnelle sur le piégeage de la lumière était vraie dans un environnement à l'échelle nanométrique. Yu est l'auteur principal de l'article du PNAS.
"Nous pensions tous à la lumière comme allant en ligne droite, " Fan a dit. "Par exemple, un rayon de lumière frappe un miroir, il rebondit et vous voyez un autre rayon lumineux. C'est la façon typique dont nous pensons à la lumière dans le monde macroscopique.
"Mais si vous descendez aux nanoéchelles qui nous intéressent, à l'échelle des centaines de millionièmes de millimètre, il s'avère que la caractéristique de la vague devient vraiment importante."
La lumière visible a des longueurs d'onde d'environ 400 à 700 nanomètres (milliardièmes de mètre), mais même à cette petite échelle, Le ventilateur a dit, bon nombre des structures analysées par Yu avaient une limite théorique comparable à la limite conventionnelle prouvée par l'expérience.
"L'une des surprises de ce travail a été de découvrir à quel point la limite conventionnelle est robuste, ", a déclaré Fan.
Ce n'est que lorsque Yu a commencé à étudier le comportement de la lumière à l'intérieur d'un matériau d'échelle inférieure à la longueur d'onde profonde - sensiblement plus petite que la longueur d'onde de la lumière - qu'il lui est devenu évident que la lumière pouvait être confinée plus longtemps, augmentation de l'absorption d'énergie au-delà de la limite conventionnelle à l'échelle macroscopique.
« La quantité d'avantages du confinement à l'échelle nanométrique que nous avons montré ici est vraiment surprenante, " a déclaré Yu. " Surmonter la limite conventionnelle ouvre une nouvelle porte à la conception de cellules solaires hautement efficaces. "
Yu a déterminé grâce à des simulations numériques que la structure la plus efficace pour tirer parti des avantages du confinement à l'échelle nanométrique était une combinaison de plusieurs types de couches différents autour d'un film mince organique.
Il a pris en sandwich le film mince organique entre deux couches de matériau - appelées couches "de revêtement" - qui servaient de couches de confinement une fois que la lumière a traversé la couche supérieure dans le film mince. Au sommet de la couche de revêtement supérieure, il a placé une couche à surface rugueuse à motifs conçue pour envoyer la lumière entrante dans différentes directions lorsqu'elle pénètre dans le film mince.
En faisant varier les paramètres des différentes couches, il a pu obtenir une augmentation de 12 fois de l'absorption de la lumière dans le film mince, par rapport à la limite macroscopique.
Les cellules solaires à l'échelle nanométrique offrent des économies sur les coûts des matériaux, car les films minces de polymère organique et d'autres matériaux utilisés sont moins chers que le silicium et, étant à l'échelle nanométrique, les quantités requises pour les cellules sont beaucoup plus petites.
Les matières organiques ont également l'avantage d'être fabriquées dans des réactions chimiques en solution, plutôt que d'avoir besoin d'un traitement à haute température ou sous vide, comme cela est requis pour la fabrication de silicium.
« La plupart des recherches de nos jours portent sur de nombreux types de matériaux différents pour les cellules solaires, " Fan a déclaré. "Là où cela aura un impact plus important est dans certaines des technologies émergentes; par exemple, dans les cellules organiques."
"Si vous le faites bien, il y a un énorme potentiel qui lui est associé, ", a déclaré Fan.
Aaswath Raman, un étudiant diplômé en physique appliquée, a également travaillé sur la recherche et est co-auteur de l'article.
