La conversion directe de la lumière solaire en électricité à l'aide du photovoltaïque devient une technologie de plus en plus importante pour la production d'énergie renouvelable en remplacement des combustibles fossiles, avec des applications allant de la production à grande échelle aux panneaux solaires sur les toits et même aux téléphones portables. Mais le photovoltaïque ne représente encore qu'une fraction marginale de l'approvisionnement énergétique mondial. L'une des principales raisons à cela est le coût relativement élevé du matériau de base - le silicium - utilisé dans le type de cellule solaire le plus courant.

Le silicium est un support populaire pour la conversion de l'énergie solaire en raison de son efficacité de conversion élevée, mais la demande croissante pour son utilisation dans les cellules photovoltaïques entraîne une pénurie de l'approvisionnement en silicium de haute qualité requis pour les applications de cellules solaires. La production du silicium et la fabrication des cellules solaires nécessitent également des salles blanches hautement contrôlées pour le traitement des semi-conducteurs, ce qui s'ajoute au coût total de fabrication. En outre, il y a une demande accrue du marché pour les grandes surfaces, poids léger, sources d'énergie flexibles pour l'électronique portable et l'alimentation dans les zones éloignées. « Un low-cost, alternative ou complément flexible au silicium est essentiel pour l'avenir de la technologie photovoltaïque, " dit Jie Zhang, responsable de programme photovoltaïque et scientifique senior au sein du groupe Synthèse &Intégration de l'Institut de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux A*STAR (IMRE).

Intrant organique

Les chercheurs en matériaux mettent tout en œuvre pour concevoir des systèmes photovoltaïques qui peuvent atténuer cette dépendance au silicium. A l'IMRE, les chercheurs développent des semi-conducteurs organiques, qui pourrait potentiellement remplacer le silicium dans les cellules solaires, dans le cadre de leur programme d'électronique imprimable. L'électronique imprimable implique l'utilisation de molécules semi-conductrices à base de polymères, qui peut être facilement dissous dans un solvant comme une encre et imprimé sous forme de circuits sur des films flexibles sans avoir besoin d'installations coûteuses en salle blanche. Un avantage important de l'électronique imprimable est que la technologie est compatible avec les techniques d'impression industrielles existantes. La technologie permet d'explorer des applications nécessitant une extrême flexibilité, tels que les écrans flexibles et le papier électronique.

La majorité des cellules photovoltaïques sont à base de silicium cristallin, qui est la forme de silicium la plus chère à produire. Une deuxième génération de cellules solaires basées sur du silicium amorphe à couche mince beaucoup moins cher sur du verre ou du métal est maintenant disponible dans le commerce sous la forme de rétroéclairages d'affichage et d'applications similaires. Les cellules photovoltaïques à base de molécules organiques sont considérées comme la troisième génération de cette technologie, et l'approche attire l'attention en raison des possibilités de flexibilité mécanique et d'aptitude au traitement de la solution. Les cellules solaires organiques sont également attrayantes car elles conviennent à une utilisation en intérieur - contrairement aux appareils à base de silicium, les cellules organiques peuvent générer de l'énergie dans les conditions de faible luminosité des environnements intérieurs. L'application pratique des organiques dans les cellules photovoltaïques, cependant, a été limitée en raison du faible rendement de conversion des composés organiques connus pour la lumière naturelle. « Nous voulons développer des matériaux photovoltaïques organiques qui soient aussi efficaces que possible pour absorber les photons du soleil, " dit Zhikuan Chen, chef de groupe et scientifique senior du groupe Synthèse &Intégration de l'IMRE. Chen est responsable du développement de polymères semi-conducteurs haute performance.

Les dérivés du polythiophène sont les matériaux organiques les plus étudiés pour le photovoltaïque, et certains rapports ont montré que ces matériaux ont une mobilité de charge élevée, qui est un paramètre important de la performance des cellules photovoltaïques. Cependant, les chercheurs ont trouvé difficile d'atteindre une efficacité de conversion élevée et une mobilité de charge élevée en même temps.

Dans leur étude la plus récente, L'équipe de Chen a combiné du thiophène avec du benzothiadiazole pour former un copolymère avec une bande interdite énergétique étroite adaptée à l'absorption de la lumière du soleil. Un transistor à effet de champ basé sur ce polymère a atteint une mobilité de charge comparable à celle des transistors à effet de champ à base de polymère disponibles dans le commerce. À la fois, l'appareil a atteint un rendement de conversion de 6,26%, l'un des meilleurs résultats pour un polymère. « Nous travaillons maintenant sur de nouveaux polymères récupérateurs de lumière et de nouveaux matériaux de transport d'électrons pour améliorer l'efficacité de conversion à 10 %, ", dit Chen. A ce niveau d'efficacité, la production en série de cellules photovoltaïques organiques deviendrait viable.

Fabrication roll-to-roll de grande surface d'électronique imprimée et de films fonctionnels

La possibilité d'imprimer ou de déposer des molécules organiques et inorganiques sur de grandes surfaces ouvre également une gamme de nouvelles applications pour le photovoltaïque organique de grande surface, électronique imprimée et films fonctionnels. Les scientifiques et les ingénieurs d'A*STAR s'efforcent actuellement de résoudre un certain nombre de défis liés aux processus de fabrication dans le cadre d'un projet de « mise à l'échelle » mené par le Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech). Le projet de mise à l'échelle est mené par l'équipe d'Albert Lu, un scientifique principal et gestionnaire de programme pour le programme de traitement sur grande surface de SIMTech.

Lu et ses collègues recherchent des plateformes technologiques de rupture pour la fabrication roll-to-roll de matériaux fonctionnels imprimables organiques et inorganiques. Ce processus pourrait être utilisé pour la production en série de dispositifs à couches épaisses et minces, y compris des capteurs, batteries et photovoltaïque. Les chercheurs étudient en particulier comment les molécules « d'encre » peuvent être déposées avec une grande précision sur des substrats flexibles allant jusqu'à 1 mètre de largeur. Ils étudient également les processus de structuration, le gaufrage et le laminage de films fonctionnels ainsi que les techniques d'inspection de bande et de mécatronique de bande. Contrairement à la fabrication de circuits électroniques conventionnels, qui nécessite le traitement par lots des wafers, les systèmes de traitement sur de grandes surfaces impliquent un processus de fabrication en continu semblable à celui d'une presse à imprimer. « Le traitement rouleau à rouleau pose des défis très différents de ceux du traitement conventionnel des semi-conducteurs, mais devrait ouvrir une nouvelle ère de l'électronique imprimée et des films fonctionnels, " dit Lou.

SIMTech met actuellement en place un système de production pilote capable de traiter de l'électronique imprimée à grande surface et des films fonctionnels jusqu'à 1 mètre de largeur de bande. Lu dit que SIMTech collabore également étroitement avec l'industrie de l'impression et des médias à Singapour pour saisir les opportunités de marché émergentes rapidement et tirer parti des technologies de fabrication à grande vitesse telles que l'impression à jet d'encre, sérigraphie et impression flexographique.

Piégeage de photons avec des nanostructures

Les matériaux organiques sont prometteurs pour le photovoltaïque, dit Lou, mais ils ne pourront pas remplacer complètement le silicium. En réalité, la recherche pour une utilisation plus efficace du silicium est encore bien vivante. À l'Institut de microélectronique A*STAR, Navab Singh, chercheur principal du programme Nano Electronics &Photonics, fait des ajustements microélectroniques pour améliorer l'utilité du silicium dans le photovoltaïque.

Les cellules solaires classiques à base de silicium sont constituées de deux couches de différents types de silicium - de type n (riche en électrons) et de type p (riche en trous) - qui sont mises en contact pour former une jonction électronique. Le courant électrique est généré lorsque la lumière atteignant le silicium libère des paires d'électrons libres et de trous à une courte distance de l'interface de jonction. En raison de la réflexion et de l'absorption de la lumière à des endroits éloignés de la jonction, le nombre de paires électron-trou participant à la production d'électricité est relativement faible dans la structure classique. Pour combler ces lacunes, Singh et ses collègues chercheurs tentent d'implanter des centaines de nanoparticules, piliers photovoltaïques à base de silicium sur la surface de silicium. « Lorsque vous créez des motifs à l'échelle nanométrique sur la surface supérieure, cela réduit non seulement la réflexion, mais cela peut également augmenter l'absorption de la lumière à l'intérieur d'une très fine couche de silicium afin que tous les porteurs puissent être générés à proximité de la jonction », explique Singh. "Ce processus réduit également le coût des matériaux." Singh dit que la technologie des nanopiliers de son équipe ne nécessite qu'une couche de 2 micromètres d'épaisseur, par rapport aux couches de 300 micromètres d'épaisseur nécessaires dans les conceptions précédentes.

Grâce à cette technologie à nanopiliers, Singh et ses collègues ont récemment démontré la densité de courant la plus élevée obtenue jusqu'à présent pour les cellules solaires nanostructurées à base de silicium. Ils étudient également d'autres moyens d'améliorer encore les performances. L'une des questions en cours de discussion est de savoir comment concevoir les dispositifs photovoltaïques de manière à tirer pleinement parti de l'énergie solaire, telles que la conception de jonctions multiples avec divers matériaux d'alliage de silicium et la conception de structures favorisant la génération de paires électron-trou multiples. La compatibilité avec les procédés de fabrication de semi-conducteurs existants est également un paramètre de conception clé. « Nous profitons de la technologie existante pour rendre les choses plus excitantes, ", dit Singh.