Pour produire le maximum d'énergie, Les cellules solaires sont conçues pour absorber autant de lumière du soleil que possible. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, ont suggéré – et démontré – un concept contre-intuitif :les cellules solaires devraient être conçues pour ressembler davantage à des LED, capable d'émettre de la lumière et de l'absorber.

"Ce que nous avons démontré, c'est que mieux une cellule solaire émet des photons, plus sa tension est élevée et plus le rendement qu'il peut produire est élevé, " dit Eli Yablonovitch, chercheur principal et professeur de génie électrique à l'UC Berkeley.

Depuis 1961, les scientifiques savent que, dans des conditions idéales, il y a une limite à la quantité d'énergie électrique qui peut être récupérée de la lumière du soleil frappant une cellule solaire typique. Cette limite absolue est, théoriquement, environ 33,5%. Cela signifie qu'au plus 33,5% de l'énergie des photons entrants sera absorbée et convertie en énergie électrique utile.

Pourtant, pendant cinq décennies, les chercheurs n'ont pas pu s'approcher de cette efficacité :en 2010, le plus haut jamais atteint était juste supérieur à 26 pour cent. (C'est pour la plaque plate, cellules solaires "simple jonction", qui absorbent les ondes lumineuses au-dessus d'une fréquence spécifique. Cellules "multi-jonctions", qui ont plusieurs couches et absorbent plusieurs fréquences, sont capables d'atteindre des rendements plus élevés.)

Plus récemment, Yablonovitch et ses collègues essayaient de comprendre pourquoi il y avait un si grand écart entre la limite théorique et la limite que les chercheurs ont pu atteindre. Pendant qu'ils travaillaient, une « image cohérente a émergé, " dit Owen Miller, un étudiant diplômé à UC Berkeley et membre du groupe de Yablonovitch. Ils sont tombés sur un relativement simple, si peut-être contre-intuitif, solution basée sur un lien mathématique entre l'absorption et l'émission de lumière.

"Fondamentalement, c'est parce qu'il y a un lien thermodynamique entre l'absorption et l'émission, ", dit Miller. Concevoir des cellules solaires pour émettre de la lumière - afin que les photons ne se "perdent" pas dans une cellule - a pour effet naturel d'augmenter la tension produite par la cellule solaire. "Si vous avez une cellule solaire qui est un bon émetteur de la lumière, il le fait également produire une tension plus élevée, " qui à son tour augmente la quantité d'énergie électrique qui peut être récupérée de la cellule pour chaque unité de lumière solaire, dit Miller.

La théorie selon laquelle l'émission luminescente et la tension vont de pair n'est pas nouvelle. Mais l'idée n'avait jamais été envisagée pour la conception de cellules solaires auparavant, Miller continue.

Cette dernière année, une entreprise de la région de la baie appelée Alta Devices, co-fondé par Yablonovitch, utilisé le nouveau concept pour créer un prototype de cellule solaire en arséniure de gallium (GaAs), un matériau souvent utilisé pour fabriquer des cellules solaires dans les satellites. Le prototype a battu le record, passant de 26 pour cent à 28,3 pour cent d'efficacité. L'entreprise a franchi cette étape, en partie, en concevant la cellule pour permettre à la lumière de s'échapper aussi facilement que possible de la cellule - en utilisant des techniques qui incluent, par exemple, augmenter la réflectivité du rétroviseur, qui renvoie les photons entrants par l'avant de l'appareil.

Les cellules solaires produisent de l'électricité lorsque les photons du Soleil frappent le matériau semi-conducteur à l'intérieur d'une cellule. L'énergie des photons libère des électrons de ce matériau, permettant aux électrons de circuler librement. Mais le processus de libération d'électrons peut également générer de nouveaux photons, dans un processus appelé luminescence. L'idée derrière la nouvelle conception de la cellule solaire est que ces nouveaux photons - qui ne proviennent pas directement du Soleil - devraient pouvoir s'échapper de la cellule aussi facilement que possible.

"La première réaction est généralement, pourquoi est-ce que cela aide [de laisser ces photons s'échapper]?" Dit Miller. "Ne voulez-vous pas garder [les photons] à l'intérieur, où peut-être pourraient-ils créer plus d'électrons?" Cependant, mathématiquement, permettre aux nouveaux photons de s'échapper augmente la tension que la cellule est capable de produire.

Le travail est « un bon, manière utile" de déterminer comment les scientifiques peuvent améliorer les performances des cellules solaires, ainsi que de trouver de nouvelles façons créatives de tester et d'étudier les cellules solaires, dit Leo Schowalter de Crystal IS, Inc. et professeur invité au Rensselaer Polytechnic Institute, qui est président du comité CLEO sur les LED, photovoltaïque, et la photonique écoénergétique.

Yablonovitch dit qu'il espère que les chercheurs seront en mesure d'utiliser cette technique pour atteindre des rendements proches de 30 pour cent dans les années à venir. Et puisque le travail s'applique à tous les types de cellules solaires, les résultats ont des implications dans tout le domaine.

L'équipe de Berkeley présentera ses résultats à la Conférence sur les lasers et l'électro-optique (CLEO :2012), 6-11 mai, San José, Californie.