Cette image montre une coupe transversale d'une cellule solaire à couche mince CZTSSe. Le film présente des grains densément tassés, ce qui conduit à un rendement élevé. Crédit image :Qijie Guo, et al. ©2010 Société chimique américaine.
(PhysOrg.com) -- Dans le cadre des récents progrès réalisés dans l'amélioration des cellules solaires pour une utilisation généralisée, des chercheurs de l'Université Purdue ont conçu des cellules solaires à faible coût, des matériaux abondants, facilement évolutifs et très stables. Les chercheurs ont augmenté l'efficacité de surface totale des cellules solaires à 7,2 % et prévoient d'apporter d'autres améliorations à l'avenir.
Les chercheurs, Qijie Guo, Grayson M. Ford, Wei Chang Yang, Bryce C. Walker, Eric A. Stach, Hugh W. Hillhouse, et Rakesh Agrawal, ont publié leur étude sur les cellules solaires améliorées dans un récent numéro du Journal de l'American Chemical Society. Ils ont fabriqué les cellules solaires à partir de cuivre-zinc-étain-chalcogénure (CZTSSe), qui est un matériau abondant sur Terre, en utilisant une méthode de dépôt de couche mince basée sur une solution. Des recherches antérieures ont montré que ces méthodes peuvent fournir des rendements élevés à des coûts de fabrication inférieurs par rapport à d'autres méthodes.
La conception de la cellule solaire est basée sur l'étude précédente des chercheurs dans laquelle ils ont démontré que les cellules solaires fabriquées à l'aide de nanocristaux CZTS sont potentiellement viables, bien qu'ils aient des rendements inférieurs à 1 %. Ici, les chercheurs ont apporté des améliorations significatives à la conception en ajustant la composition des nanocristaux et en développant une méthode de revêtement en couche mince plus robuste.
Après avoir synthétisé les nanocristaux et les avoir appliqués sur un substrat pour une épaisseur totale de film de 1 micromètre, les chercheurs ont observé que le film de nanocristal présentait de grandes, grains densément emballés, ce qui conduit à une meilleure efficacité des cellules solaires. En test, les cellules solaires pourraient atteindre un rendement surfacique total de 7,2 %. Comme l'a expliqué le coauteur Hugh Hillhouse, l'efficacité surfacique totale se réfère à l'ensemble de la cellule, plutôt que simplement la « zone active ».
"C'est l'efficacité totale de la surface qui compte le plus, " il a dit PhysOrg.com. « Certaines personnes rapportent une efficacité « zone active », qui ne comprend que les zones que la lumière atteint. Cependant, toutes les cellules solaires à couche mince sont fabriquées avec des contacts métalliques qui empêchent la lumière d'atteindre certaines zones. Lorsque vous incluez cette perte, nous utilisons le terme efficacité de «surface totale». C'est l'efficacité la plus juste et la plus importante.
L'efficacité de 7,2 % a été atteinte après un « trempage léger » pendant 15 minutes sous un seul éclairage solaire ; quand la lumière était éteinte, l'efficacité est tombée à 6,89 %.
« Le trempage à la lumière signifie simplement que nous faisons briller la lumière du soleil simulée d'intensité normale sur la cellule pendant un certain temps avant de faire la mesure, », a déclaré Hillhouse. « Très probablement, le trempage léger permet aux porteurs photogénérés de remplir les pièges, décaler les niveaux quasi-Fermi, et/ou des écrans créés par des décalages de bandes. Cela ne pose pas de problème car les vraies cellules solaires sont naturellement imprégnées de lumière - elles sont exposées au soleil. »
Bien qu'il n'existe actuellement aucune cellule solaire CZTS ou CZTSSe sur le marché à des fins de comparaison, les cellules solaires de cette étude sont très compétitives avec d'autres méthodes de fabrication.
« Les meilleures cellules formées par des procédés sous vide n'ont atteint que 6,7%, », a déclaré Hillhouse. « En règle générale, les cellules solaires produites par des procédés sous vide ont été plus efficaces, mais aussi plus cher. Pour le cas du CZTS, l'approche de la phase de solution (notre voie des nanocristaux et la voie de l'hydrazine d'IBM) est plus efficace. »
Un domaine potentiel d'amélioration pour ces cellules solaires réside dans l'amélioration de leur faible efficacité quantique pour la lumière de longueurs d'onde plus longues (c'est-à-dire, la gamme proche infrarouge). Les chercheurs ont tenté d'améliorer cette efficacité en augmentant l'épaisseur de l'absorbeur, bien que leurs premières expériences aient montré que des couches absorbantes plus épaisses avaient également une résistance accrue. À l'avenir, ils prévoient d'optimiser la fabrication pour des films plus épais, ce qui pourrait encore augmenter l'efficacité globale.
« Il y a beaucoup de liberté de composition dans le système CZTSSe, et il est probable que les compositions optimales, structure de l'appareil, et les conditions de traitement n'ont pas encore été trouvées - mais nous y travaillons, », a déclaré Hillhouse.
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