Le schéma montre comment fabriquer une cellule solaire à nanofils noyau/coque en partant de la gauche avec un nanofil CdS (vert) qui est plongé dans du CuCl où la réaction d'échange de cations crée un revêtement de coque Cu2S (brun). Des contacts métalliques sont ensuite déposés sur le noyau CdS et la coque Cu2S. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Yang, et. Al
(PhysOrg.com) -- Les cellules solaires ou photovoltaïques représentent l'une des meilleures technologies possibles pour fournir une source d'énergie absolument propre et pratiquement inépuisable pour alimenter notre civilisation. Cependant, pour que ce rêve se réalise, les cellules solaires doivent être fabriquées à partir d'éléments peu coûteux en utilisant des chimie de traitement moins énergivore, et ils doivent convertir efficacement et à un coût compétitif la lumière du soleil en électricité. Une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE) a maintenant démontré deux de ces exigences sur trois avec un début prometteur pour le troisième.
Peidong Yang, un chimiste à la Division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, a dirigé le développement d'une technique basée sur des solutions pour la fabrication de cellules solaires à nanofils à noyau/coque en utilisant les semi-conducteurs sulfure de cadmium pour le noyau et le sulfure de cuivre pour la coque. Ces cellules solaires à nanofils peu coûteuses et faciles à fabriquer présentaient des valeurs de tension en circuit ouvert et de facteur de remplissage supérieures aux cellules solaires planaires conventionnelles. Ensemble, la tension en circuit ouvert et le facteur de remplissage déterminent l'énergie maximale qu'une cellule solaire peut produire. En outre, les nouveaux nanofils ont également démontré une efficacité de conversion énergétique de 5,4 %, ce qui est comparable aux cellules solaires planaires.
"C'est la première fois qu'une technique de chimie d'échange de cations basée sur une solution est utilisée pour la production de nanofils monocristallins de haute qualité en sulfure de cadmium/sulfure de cuivre/coque, " dit Yang. "Notre réussite, ainsi que l'augmentation de l'absorption de la lumière que nous avons précédemment démontrée dans les réseaux de nanofils par piégeage de la lumière, indique que les nanofils cœur/coque sont vraiment prometteurs pour la future technologie des cellules solaires. »
Yang, qui détient une nomination conjointe avec l'Université de Californie (UC) Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article rapportant cette recherche qui paraît dans la revue Nature Nanotechnology. L'article s'intitule « Nanofils noyau-coque traités en solution pour des cellules photovoltaïques efficaces ». Les co-auteurs de cet article avec Yang étaient Jinyao Tang, Ziyang Huo, Sarah Brittman et Hanwei Gao.
Les cellules solaires typiques d'aujourd'hui sont fabriquées à partir de plaquettes de silicium monocristallin ultra-pur qui nécessitent environ 100 micromètres d'épaisseur de ce matériau très coûteux pour absorber suffisamment de lumière solaire. Par ailleurs, le haut niveau de purification cristalline requis rend complexe la fabrication même de la cellule solaire planaire à base de silicium la plus simple, processus énergivore et coûteux.
Une alternative très prometteuse serait 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 jusqu'à l'échelle du millimètre. Les cellules solaires fabriquées à partir de nanofils offrent un certain nombre d'avantages par rapport aux cellules solaires planaires conventionnelles, y compris de meilleures capacités de séparation et de collecte des charges, De plus, ils peuvent être fabriqués à partir de matériaux abondants sur Terre plutôt que de silicium hautement transformé. À ce jour, cependant, les rendements inférieurs des cellules solaires à base de nanofils l'ont emporté sur leurs avantages.
"Dans le passé, les cellules solaires à nanofils ont démontré des facteurs de remplissage et des tensions en circuit ouvert bien inférieurs à ceux de leurs homologues planaires, ", dit Yang. "Les raisons possibles de cette mauvaise performance incluent la recombinaison de surface et un mauvais contrôle de la qualité des jonctions p-n lorsque des processus de dopage à haute température sont utilisés."
Cette image de microscopie électronique à balayage montre trois cellules solaires en série sur un seul nanofil avec les régions noyau-coque marquées par des lignes brunes. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Yang, et. Al
Au cœur de toutes les cellules solaires se trouvent deux couches distinctes de matériau, un avec une abondance d'électrons qui fonctionnent comme un pôle négatif, et un avec une abondance de trous d'électrons (espaces énergétiques chargés positivement) qui fonctionnent 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 la jonction p-n - l'interface entre les deux couches - et collectés sous forme d'électricité.
Il y a à peu près un an, travailler avec du silicium, Yang et les membres de son groupe de recherche ont développé un moyen relativement peu coûteux de remplacer les jonctions p-n planaires des cellules solaires conventionnelles par une jonction p-n radiale, dans lequel une couche de silicium de type n a formé une enveloppe autour d'un noyau de nanofil de silicium de type p. Cette géométrie a transformé efficacement chaque nanofil individuel en une cellule photovoltaïque et a considérablement amélioré les capacités de piégeage de la lumière des films minces photovoltaïques à base de silicium.
Maintenant, ils ont appliqué cette stratégie à la fabrication de nanofils coeur/coque en utilisant du sulfure de cadmium et du sulfure de cuivre, mais cette fois en utilisant la chimie en solution. Ces nanofils noyau/coque ont été préparés à l'aide d'une réaction d'échange de cations (ions négatifs) en solution qui a été développée à l'origine par le chimiste Paul Alivisatos et son groupe de recherche pour fabriquer des points quantiques et des nanotiges. Alivisatos est aujourd'hui directeur du Berkeley Lab, et Larry et Diane Bock professeur de nanotechnologie de l'UC Berkeley.
"Les nanofils de sulfure de cadmium initiaux ont été synthétisés par transport physique de vapeur à l'aide d'un mécanisme vapeur-liquide-solide (VLS) plutôt que de la chimie humide, ce qui nous a donné un matériau de meilleure qualité et une plus grande longueur physique, mais ils peuvent certainement aussi être fabriqués en utilisant un procédé de mise en solution ", dit Yang. " Les nanofils de sulfure de cadmium monocristallin tels que cultivés ont des diamètres compris entre 100 et 400 nanomètres et des longueurs allant jusqu'à 50 millimètres. "
Les nanofils de sulfure de cadmium ont ensuite été plongés dans une solution de chlorure de cuivre à une température de 50 degrés Celsius et y ont été maintenus pendant 5 à 10 secondes. La réaction d'échange de cations a converti la couche superficielle du sulfure de cadmium en une coquille de sulfure de cuivre.
"La réaction d'échange de cations en solution nous offre une solution simple, méthode peu coûteuse pour préparer des nanomatériaux hétéro-épitaxiaux de haute qualité, " dit Yang. " De plus, il contourne les difficultés de dopage et de dépôt à haute température pour les procédés typiques de production en phase vapeur, ce qui suggère des coûts de fabrication beaucoup plus faibles et une meilleure reproductibilité. Tout ce dont nous avons vraiment besoin, ce sont des béchers et des flacons pour ce processus basé sur des solutions. Il n'y a aucun des coûts de fabrication élevés associés au dépôt chimique en phase vapeur par épitaxie en phase gazeuse et à l'épitaxie par faisceau moléculaire, les techniques les plus utilisées aujourd'hui pour fabriquer des nanofils semi-conducteurs."
Yang et ses collègues pensent qu'ils peuvent améliorer l'efficacité de conversion d'énergie de leurs nanofils de cellules solaires en augmentant la quantité de matériau de coque en sulfure de cuivre. Pour que leur technologie soit commercialement viable, ils doivent atteindre un rendement de conversion énergétique d'au moins dix pour cent.
