Les scientifiques ont découvert que la clé pour surmonter une limite de piégeage de la lumière réside dans l'augmentation de la densité des états optiques dans le matériau absorbant. La découverte pourrait conduire à la conception de cellules solaires très efficaces qui sont également très minces, et donc pas cher. Crédit d'image : Laboratoire national des énergies renouvelables
(PhysOrg.com) -- Les cellules solaires les plus performantes sont celles qui sont suffisamment épaisses pour absorber la lumière de l'ensemble du spectre solaire, tandis que les cellules solaires les moins chères sont minces, puisqu'ils nécessitent moins, et potentiellement moins cher, Matériel. Dans une tentative de combiner le meilleur des deux mondes, une équipe de scientifiques a décrit des conceptions de cellules solaires capables d'absorber la lumière de l'ensemble du spectre solaire tout en n'ayant que 10 nanomètres d'épaisseur. La nouvelle approche de conception, ce qui pourrait conduire à des cellules solaires améliorées à faible coût, nécessite de dépasser une limite thermodynamique de piégeage de la lumière proposée dans les années 1980.
Les scientifiques, Dennis Callahan, Jérémy Munday, et Harry Atwater, du California Institute of Technology de Pasadena, Californie, ont rapporté la nouvelle méthode de piégeage de la lumière au-delà de la limite conventionnelle dans une étude publiée dans un récent numéro de Lettres nano .
Leur travail porte sur une étude de 1982 qui proposait une limite thermodynamique sur la quantité de la gamme de longueurs d'onde optiques pouvant être absorbée par des dalles semi-conductrices en vrac homogènes. La limite exige que ces matériaux aient une épaisseur minimale afin d'absorber la lumière du spectre solaire complet. Par conséquent, les cellules solaires semi-conductrices d'aujourd'hui sont généralement conçues avec des couches absorbantes épaisses afin de piéger autant de lumière solaire que possible, ce qui peut être coûteux et compliqué à fabriquer.
Des analyses antérieures de cette limite de piégeage de la lumière (qui est parfois appelée limite de rayon optique ou limite de piégeage de lumière ergodique) ont montré que certaines cellules solaires dépassent effectivement la limite en tirant parti des interactions des ondes. Bien que les chercheurs aient théoriquement expliqué comment cela se produit dans certains cas, il n'y a pas d'explication générale qui puisse être étendue à la grande variété de schémas de piégeage de la lumière proposés qui peuvent également être capables de dépasser la limite.
Ici, les scientifiques de Caltech ont proposé que la clé pour surmonter la limite de piégeage de la lumière réside dans l'augmentation de la densité des états optiques d'un semi-conducteur. Parce que chacun de ces états peut accepter la lumière d'une certaine longueur d'onde, en avoir plus peut augmenter la quantité de lumière qu'un matériau peut absorber.
« Il est maintenant clair comment penser et concevoir des cellules solaires qui peuvent potentiellement dépasser cette limite précédente de piégeage de la lumière, » a dit Callahan PhysOrg.com . « Tout ce que vous avez à faire est de penser à un moyen d'augmenter la densité des états optiques, puis remplir ces états. Il existe de nombreux outils et méthodes qui ont été conçus pour augmenter la densité d'états optiques pour d'autres domaines de recherche, par exemple la communication optique et l'optique quantique. Mais maintenant, les chercheurs sur les cellules solaires peuvent prendre ces idées et les mettre dans le contexte approprié pour les cellules solaires avec l'aide de notre travail. Aussi, si quelqu'un travaille avec un type particulier de cellule solaire, il devrait maintenant être clair s'il a le potentiel de dépasser la limite précédente ou non.
Les chercheurs ont démontré que tout matériau semi-conducteur peut dépasser la limite de piégeage de la lumière lorsque la densité locale d'états optiques (LDOS) de sa couche absorbante dépasse la LDOS du matériau semi-conducteur en vrac. Ils montrent également qu'il est possible d'améliorer le LDOS de l'absorbeur à un niveau nécessaire pour absorber 99,9 % du spectre solaire, même pour des semi-conducteurs aussi minces que 10 à 100 nanomètres (par rapport aux couches micrométriques utilisées dans les appareils commerciaux d'aujourd'hui).
"Nos résultats suggèrent que si vous pouvez concevoir l'environnement électromagnétique de la bonne manière, il devrait être possible d'aller jusqu'à 10 nm, », a déclaré Callahan. « Il s'agit simplement de savoir comment le concevoir de manière appropriée et sans introduire de pertes parasites indésirables. C'est certainement un défi, mais c'est quelque chose auquel nous réfléchissons actuellement. Maintenant, une cellule solaire de 10 nm est probablement peu pratique pour d'autres raisons telles que le besoin de plusieurs couches, recombinaison de surface, effets quantiques potentiels, etc., mais est toujours dans le domaine du possible.
La limite la plus importante à l'augmentation du LDOS de la couche absorbante est due à la « règle de somme de densité d'états, ” qui disent que l'augmentation du LDOS dans une région du spectre entraîne une diminution dans une autre région du spectre. Comme l'expliquent les scientifiques, cette conservation de LDOS se fait naturellement par un processus appelé repondération spectrale, et peut aussi potentiellement être artificiellement conçu. Bien que cette règle impose une limite supérieure à l'absorbance d'une cellule solaire, les chercheurs expliquent que cela ne devrait pas limiter l'absorbance des cellules solaires à des fins pratiques. C'est parce que l'amélioration LDOS n'est nécessaire que dans le spectre solaire, tandis que LDOS peut être diminué dans n'importe quelle région en dehors du spectre solaire, une zone beaucoup plus vaste. Pour cette raison, autres limites physiques et pratiques, tels que des problèmes de saturation ou de fabrication, deviendra probablement pertinent avant qu'une limite ne soit atteinte pour augmenter le LDOS.
Les scientifiques ont également montré qu'une variété de conceptions d'absorbeurs solaires peuvent répondre aux critères fondamentaux proposés ici pour dépasser la limite conventionnelle de piégeage de la lumière, c'est à dire., présentant un LDOS supérieur à celui du matériau en vrac. Certaines conceptions incluent l'utilisation de matériaux plasmoniques, guides d'ondes diélectriques, cristaux photoniques, et d'autres appareils.
« Nous essayons actuellement de trouver des moyens de concevoir et d'augmenter la densité d'états optiques aussi haut que possible dans le cadre d'une conception pratique de cellules solaires, », a déclaré Callahan. « C'est une tâche difficile pour les matériaux à indice élevé comme le silicium, mais il existe de nombreuses possibilités que nous examinons actuellement et qui semblent prometteuses.
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