Vue d'en haut, une feuille de silicium a été texturée avec un éventail de minuscules formes de pyramide inversée, si petites qu'elles correspondent aux longueurs d'onde de la lumière et peuvent piéger efficacement les ondes lumineuses. Image :Anastassios Mavrokefalos
Le silicium hautement purifié représente jusqu'à 40 % des coûts globaux des panneaux solaires conventionnels. Les chercheurs ont donc longtemps cherché à maximiser la puissance de sortie tout en minimisant l'utilisation du silicium. Maintenant, une équipe du MIT a trouvé une nouvelle approche qui pourrait réduire l'épaisseur du silicium utilisé de plus de 90 % tout en maintenant une efficacité élevée.
Le secret réside dans un motif de minuscules pyramides inversées gravées dans la surface du silicium. Ces minuscules empreintes, chacun moins d'un millionième de mètre de diamètre, peut piéger les rayons de lumière aussi efficacement que les surfaces de silicium solides conventionnelles qui sont 30 fois plus épaisses.
Les nouvelles découvertes sont publiées dans le journal Lettres nano dans un article du postdoctorant du MIT Anastassios Mavrokefalos, professeur Gang Chen, et trois autres post-doctorants et étudiants diplômés, tout le département de génie mécanique du MIT.
« Nous considérons notre méthode comme une amélioration des performances des cellules solaires à couche mince, " dit Mavrokefalos, mais cela fonctionnerait en fait pour toutes les cellules de silicium. « Cela améliorerait l'efficacité, quelle que soit l'épaisseur, " dit-il.
Étudiant diplômé Matthew Branham, un co-auteur de l'article, dit, « Si vous pouvez réduire considérablement la quantité de silicium [dans une cellule solaire]… vous pouvez potentiellement faire une grande différence dans le coût de production. Le problème est, quand tu le rends très mince, il n'absorbe pas non plus la lumière.
Le fonctionnement d'une cellule solaire se déroule en deux étapes de base :une particule de lumière entrante, appelé photon, pénètre et est absorbé par le matériau, plutôt que de se refléter sur sa surface ou de passer à travers. Seconde, les électrons détachés de leurs atomes lorsque ce photon est absorbé doivent ensuite se frayer un chemin vers un fil où ils peuvent être exploités pour produire un courant électrique, plutôt que d'être simplement piégé par d'autres atomes.
Malheureusement, la plupart des efforts visant à augmenter la capacité du silicium cristallin mince à piéger les photons - par exemple en créant une forêt de minuscules nanofils de silicium à la surface - augmentent également considérablement la surface du matériau, augmentant les chances que les électrons se recombinent à la surface avant de pouvoir être exploités.
Une vue au microscope électronique à balayage d'une coupe transversale de la surface à motifs d'une plaquette de silicium, révélant la forme des empreintes pyramidales créées par la nouvelle technique développée par les chercheurs du MIT. Image :Anastassios Mavrokefalos
La nouvelle approche évite ce problème. Les minuscules indentations de surface – l'équipe les appelle « nanopyramides inversées » – augmentent considérablement l'absorption de la lumière, mais avec seulement une augmentation de 70 pour cent de la superficie, limitant la recombinaison de surface. En utilisant cette méthode, une feuille de silicium cristallin de seulement 10 micromètres (millionièmes de mètre) d'épaisseur peut absorber la lumière aussi efficacement qu'une plaquette de silicium conventionnelle 30 fois plus épaisse.
Cela pourrait non seulement réduire la quantité de cher, silicium hautement purifié nécessaire à la fabrication des cellules solaires, Mavrokefalos explique, mais aussi réduire le poids des cellules, ce qui à son tour réduirait le matériel nécessaire pour les cadres et les supports. Les économies de coûts potentielles ne sont pas seulement dans le matériau de la cellule, mais aussi dans les frais d'installation, " dit-il.
En outre, la technique développée par Mavrokefalos et ses collègues utilise des équipements et des matériaux qui sont déjà des éléments standard du traitement des puces de silicium, ainsi, aucune nouvelle machine de fabrication ni aucun produit chimique ne seraient nécessaires. « C'est très facile à fabriquer, " dit Mavrokefalos, pourtant « il s'attaque à de gros problèmes ».
Pour créer les petites bosses, les chercheurs utilisent deux ensembles de faisceaux laser qui se chevauchent pour produire des trous exceptionnellement minuscules dans une couche de matériau - appelée résine photosensible - qui est déposée sur le silicium. Cette technique de lithographie interférentielle est extensible à une grande surface. Après plusieurs étapes intermédiaires, un produit chimique appelé hydroxyde de potassium est utilisé pour dissoudre les parties de la surface qui n'étaient pas recouvertes par la résine photosensible. La structure cristalline du silicium conduit ce processus de gravure à produire les formes pyramidales souhaitées dans la surface, dit Mavrokefalos.
Jusque là, l'équipe n'a fait que la première étape vers la fabrication du nouveau type de cellules solaires, produire la surface à motifs sur une plaquette de silicium et démontrer son amélioration dans le piégeage de la lumière. La prochaine étape consistera à ajouter des composants pour produire une cellule photovoltaïque réelle et ensuite montrer que son efficacité est comparable à celle des cellules solaires conventionnelles. On s'attend à ce que la nouvelle approche produise des rendements de conversion d'énergie d'environ 20 %, contre 24 % pour les meilleures cellules solaires au silicium commerciales actuelles, mais cela reste à prouver dans la pratique.
Chen, le professeur Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique et directeur des laboratoires Pappalardo Micro and Nano Engineering du MIT, dit que si tout va bien, le système pourrait conduire à des produits commerciaux dans un avenir proche.
Chen dit que l'idée a été développée après avoir analysé une grande variété de configurations de surface possibles dans des simulations informatiques, et trouver l'arrangement qui a montré les plus grandes améliorations potentielles des performances. Mais de nombreuses équipes à travers le monde poursuivent une multitude d'approches pour améliorer les performances des cellules solaires en utilisant différents matériaux, méthodes et configurations de fabrication.
« C'est difficile de choisir un gagnant, " dit-il, mais cette approche est très prometteuse. « Nous sommes assez optimistes sur le fait qu’il s’agit d’une approche viable. »
Yi Cui, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford, dit que ce travail a produit « des résultats très excitants. L'impact pratique potentiel de ce travail pourrait être important, car il fournit une structure efficace pour la gestion des photons pour permettre aux cellules minces.
Cui dit que puisque le coût du silicium "contribue de manière significative au coût des cellules solaires, « le développement de cellules solaires en silicium minces capables d'absorber efficacement les photons « est important pour réduire les coûts ».
L'oeuvre, qui impliquait également les post-doctorants Sang Eon Han et Selcuk Yerci, a été soutenu par le programme Sunshot du département américain de l'Énergie et par la National Science Foundation.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
