Les visiteurs de Statuary Hall dans le Capitole des États-Unis ont peut-être expérimenté une curieuse caractéristique acoustique qui permet à une personne de chuchoter doucement d'un côté de la caverne, pièce en demi-dôme et pour une autre de l'autre côté pour entendre chaque syllabe. Le son est balayé autour du périmètre semi-circulaire de la pièce presque sans défaut. Le phénomène est connu sous le nom de galerie chuchotante.

Dans un article publié en Communication Nature , une équipe d'ingénieurs de Stanford décrit comment elle a créé de minuscules sphères creuses de silicium nanocristallin photovoltaïque et a exploité la physique pour faire pour la lumière ce que les pièces circulaires font pour le son. Les résultats, disent les ingénieurs, pourrait réduire considérablement l'utilisation des matériaux et les coûts de traitement.

"Le silicium nanocristallin est un excellent matériau photovoltaïque. Il a un rendement électrique élevé et résiste au soleil dur, " a déclaré Shanhui Fan, professeur de génie électrique à Stanford et co-auteur de l'article. "Les deux ont été des défis pour d'autres types de films solaires minces."

La chute du silicium nanocristallin, cependant, a été sa relative mauvaise absorption de la lumière, ce qui nécessite une couche épaisse qui prend beaucoup de temps à fabriquer.

Galeries chuchotantes

Les ingénieurs appellent leurs sphères des nanocoquilles. La production des coquilles demande un peu de magie d'ingénierie. Les chercheurs créent d'abord de minuscules boules de silice - la même matière que le verre est faite - et les enduisent d'une couche de silicium. Ils attaquent ensuite le centre du verre à l'aide d'acide fluorhydrique qui n'affecte pas le silicium, laissant derrière lui la très importante coque sensible à la lumière. Ces coquilles forment des galeries chuchotantes optiques qui captent et recirculent la lumière.

"La lumière est piégée à l'intérieur des nanocoquilles, " dit Yi Cui, professeur agrégé de génie des sciences des matériaux à Stanford et auteur principal de l'article. "Il circule en rond plutôt que de traverser et c'est très souhaitable pour les applications solaires."

Les chercheurs estiment que la lumière circule plusieurs fois autour de la circonférence des coques au cours desquelles l'énergie de la lumière est progressivement absorbée par le silicium. Plus ils peuvent garder la lumière dans le matériau, meilleure sera l'absorption.

"Il s'agit d'une nouvelle approche de l'absorption de la lumière à large bande. L'utilisation de modes de résonance de galerie de chuchotements à l'intérieur des nanoshells est très excitante, " dit Yan Yao, chercheur post-doctoral au Cui Lab et co-auteur principal de l'article. « Cela peut non seulement conduire à de meilleures cellules solaires, mais il peut être appliqué dans d'autres domaines où une absorption efficace de la lumière est importante, comme les combustibles solaires et les photodétecteurs.

À travers toutes les épreuves

En mesurant l'absorption lumineuse dans une seule couche de nanocoquilles, l'équipe a montré une absorption significativement plus élevée sur un spectre de lumière plus large qu'une couche plate de silicium déposée côte à côte avec les nanoshells.

"Les coques sphériques nanométriques atteignent vraiment un point idéal et maximisent l'efficacité d'absorption du film. Les coques permettent à la fois à la lumière d'entrer facilement dans le film et la piègent afin d'améliorer l'absorption d'une manière que les homologues à plus grande échelle ne peuvent pas. la puissance de la nanotechnologie, " dit Jie Yao, chercheur post-doctoral dans le laboratoire de Cui et co-auteur principal de l'article.

Plus loin, en déposant deux voire trois couches de nanocoquilles les unes sur les autres, l'équipe a taquiné l'absorption encore plus haut. Avec une structure à trois couches, ils ont pu atteindre une absorption totale de 75 % de la lumière dans certaines plages importantes du spectre solaire.

Structure intelligente

Ayant démontré une meilleure absorption, les ingénieurs ont ensuite montré comment leur structure intelligente rapportera des dividendes au-delà du simple piégeage de la lumière.

D'abord, les nanoshells peuvent être fabriqués rapidement. "Un film plat d'un micron d'épaisseur de silicium nanocristallin solide peut prendre quelques heures à se déposer, tandis que les nanoshells atteignant une absorption lumineuse similaire ne prennent que quelques minutes, " dit Yan.

La structure nanoshell utilise également sensiblement moins de matériau, un vingtième de celui du silicium nanocristallin solide.

"Un vingtième de la matière, bien sûr, coûte un vingtième et pèse un vingtième de ce que fait une couche solide, ", a déclaré Jie. "Cela pourrait nous permettre de produire de manière rentable des cellules solaires plus performantes à partir de matériaux rares ou coûteux."

"Le film solaire de notre papier est composé de silicium relativement abondant, mais en bas de la route, la réduction des matériaux offerte par les nanocoquilles pourrait s'avérer importante pour intensifier la fabrication de nombreux types de cellules à couches minces, tels que ceux qui utilisent des matériaux plus rares comme le tellure et l'indium", a déclaré Vijay Narasimhan, doctorant au Cui Lab et co-auteur de l'article.

Finalement, les nanoshells sont relativement indifférents à l'angle de la lumière entrante et les couches sont suffisamment minces pour pouvoir se plier et se tordre sans endommager. Ces facteurs pourraient ouvrir un éventail de nouvelles applications dans des situations où il n'est pas toujours possible d'obtenir un angle d'entrée optimal de la lumière du soleil. Imaginez des voiles solaires en haute mer ou des vêtements photovoltaïques pour l'alpinisme.

"Cette nouvelle structure n'est qu'un début et démontre certains des potentiels passionnants de l'utilisation de structures nanophotoniques avancées pour améliorer l'efficacité des cellules solaires, " a déclaré Shanhui Fan.