Sur la gauche, un schéma d'un réseau de nanopiliers en germanium intégré dans une membrane en feuille d'alumine ; à droite, des images SEM en coupe transversale d'une membrane d'alumine vierge avec des pores à double diamètre ; l'encart montre des nanopiliers de germanium après croissance. (Images avec l'aimable autorisation d'Ali Javey)
La lumière du soleil représente le plus propre, la plus verte et de loin la plus abondante de toutes les sources d'énergie, et pourtant son potentiel reste cruellement sous-exploité. Les coûts élevés ont été un obstacle majeur aux applications à grande échelle des cellules solaires à base de silicium. Les nanopiliers - des réseaux nanométriques densément emballés de semi-conducteurs optiquement actifs - ont montré un potentiel pour fournir une prochaine génération de cellules solaires relativement bon marché et évolutives, mais ont été entravés par des problèmes d'efficacité. L'histoire du nanopilier, cependant, a pris une nouvelle tournure et l'avenir de ces matériaux semble maintenant plus brillant que jamais.
« En ajustant la forme et la géométrie de réseaux de nanopiliers hautement ordonnés de sulfure de germanium ou de cadmium, nous avons pu améliorer considérablement les propriétés d'absorption optique de nos nanopiliers, " dit Ali Javey, un chimiste qui détient des nominations conjointes avec le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et l'Université de Californie (UC) à Berkeley.
Javey, chercheur universitaire à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de génie électrique et d'informatique à l'UC Berkeley, a été à la pointe de la recherche sur les nanopiliers. Lui et son groupe ont été les premiers à démontrer une technique par laquelle des nanopiliers de sulfure de cadmium peuvent être produits en masse dans des modules flexibles à grande échelle. Dans ce dernier ouvrage, ils ont pu produire des nanopiliers qui absorbent aussi bien voire mieux la lumière que les cellules solaires à couche mince du commerce, utilisant beaucoup moins de matériau semi-conducteur et sans avoir besoin d'un revêtement antireflet.
« Pour améliorer l'efficacité d'absorption optique à large bande de nos nanopiliers, nous avons utilisé une nouvelle structure à double diamètre qui présente une pointe de petit diamètre (60 nanomètres) avec une réflectance minimale pour laisser entrer plus de lumière, et une base de grand diamètre (130 nanomètres) pour une absorption maximale permettant de convertir plus de lumière en électricité, », dit Javey. "Cette structure à double diamètre a absorbé 99% de la lumière visible incidente, par rapport aux 85 % d'absorption de nos anciens nanopiliers, qui avaient le même diamètre sur toute leur longueur.
Des travaux théoriques et expérimentaux ont montré que des réseaux 3-D de nanopiliers semi-conducteurs - avec un diamètre bien défini, longueur et pas – excellent dans le piégeage de la lumière tout en utilisant moins de la moitié du matériau semi-conducteur requis pour les cellules solaires à couche mince constituées de semi-conducteurs composés, comme le tellurure de cadmium, et environ un pour cent du matériau utilisé dans les cellules solaires en silicium massif. Mais jusqu'aux travaux de Javey et de son groupe de recherche, la fabrication de tels nanopiliers était une procédure complexe et lourde.
Javey et ses collègues ont façonné leurs nanopiliers à double diamètre à partir de moules qu'ils ont fabriqués dans une feuille d'alumine de 2,5 millimètres d'épaisseur. Un processus d'anodisation en deux étapes a été utilisé pour créer un réseau de pores d'un micromètre de profondeur dans le moule avec des diamètres doubles - étroits en haut et larges en bas. Des particules d'or ont ensuite été déposées dans les pores pour catalyser la croissance des nanopiliers semi-conducteurs.
« Ce processus permet un contrôle précis de la géométrie et de la forme des réseaux de nanopiliers monocristallins, sans recours à des procédés complexes d'épitaxie et/ou de lithographie, », dit Javey. « À une hauteur de seulement deux microns, nos réseaux de nanopiliers ont pu absorber 99 % de tous les photons dont la longueur d'onde est comprise entre 300 et 900 nanomètres, sans avoir recours à des revêtements antireflet.
Les nanopiliers en germanium peuvent être réglés pour absorber les photons infrarouges pour les détecteurs très sensibles, et les nanopiliers sulfure de cadmium/tellurure sont idéaux pour les cellules solaires. La technique de fabrication est tellement générique, Javey dit, il pourrait également être utilisé avec de nombreux autres matériaux semi-conducteurs pour des applications spécifiques. Récemment, lui et son groupe ont démontré que la partie transversale des réseaux de nanopiliers peut également être réglée pour prendre des formes spécifiques - carré, rectangle ou cercle - simplement en changeant la forme du modèle.
« Cela présente encore un autre degré de contrôle des propriétés d'absorption optique des nanopiliers, », dit Javey.
La recherche sur les nanopiliers à double diamètre de Javey a été partiellement financée par le Centre des systèmes nanomécaniques intégrés (COINS) de la National Science Foundation et par les fonds LDRD du Berkeley Lab.
