La technologie SFPV a été testée pour deux architectures d'électrodes supérieures :(A) l'électrode supérieure est façonnée en doigts étroits; (B) l'électrode supérieure est uniformément ultramince. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Berkeley Lab
Une technologie qui permettrait à faible coût, Des cellules solaires à haute efficacité fabriquées à partir de pratiquement n'importe quel matériau semi-conducteur ont été développées par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université de Californie (UC) Berkeley. Cette technologie ouvre la porte à l'utilisation d'abondants, semi-conducteurs relativement bon marché, tels que les oxydes métalliques prometteurs, sulfures et phosphures, qui ont été considérées comme inappropriées pour les cellules solaires car il est si difficile de personnaliser leurs propriétés par des moyens chimiques.
"Il est temps de faire bon usage des mauvais matériaux, " dit le physicien Alex Zettl, qui a dirigé cette recherche avec son collègue Feng Wang. "Notre technologie nous permet de contourner la difficulté d'adapter chimiquement de nombreuses terres abondantes, semi-conducteurs non toxiques et à la place adapter ces matériaux simplement en appliquant un champ électrique. »
Zettl, qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le département de physique de l'UC Berkeley où il dirige le Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS), est l'auteur correspondant d'un article décrivant ce travail dans la revue Lettres nano . L'article s'intitule "Dépistage-
Cellules solaires à effet de champ conçues." Les co-auteurs étaient William Regan, Steven Byrnes, Will Gannett, Onur Ergen, Oscar Vazquez-Mena et Feng Wang.
Les cellules solaires convertissent la lumière du soleil en électricité à l'aide de matériaux semi-conducteurs qui présentent l'effet photovoltaïque, ce qui signifie qu'elles absorbent les photons et libèrent des électrons qui peuvent être canalisés dans un courant électrique. Le photovoltaïque est la source ultime d'énergie propre, l'énergie verte et renouvelable, mais les technologies d'aujourd'hui utilisent des semi-conducteurs relativement rares et coûteux, comme de gros cristaux de silicium, ou des films minces de tellurure de cadmium ou de cuivre indium gallium séléniure, qui sont difficiles ou coûteux à transformer en appareils.
« Les technologies solaires sont aujourd'hui confrontées à un compromis coût-efficacité qui a ralenti la mise en œuvre à grande échelle, " dit Zettl. "Notre technologie réduit le coût et la complexité de fabrication des cellules solaires et fournit ainsi ce qui pourrait être une alternative rentable et respectueuse de l'environnement qui accélérerait l'utilisation de l'énergie solaire."
Alex Zettl (à gauche) et Will Regan peuvent faire à bas prix, cellules solaires à haut rendement à partir de pratiquement n'importe quel matériau semi-conducteur. Crédit :(Photo de Roy Kaltschmidt)
Cette nouvelle technologie est appelée « photovoltaïque à effet de champ par ingénierie de criblage, " ou SFPV, parce qu'il utilise l'effet de champ électrique, un phénomène bien compris par lequel la concentration des porteurs de charge dans un semi-conducteur est modifiée par l'application d'un champ électrique. Avec la technologie SFPV, une électrode supérieure à blindage partiel soigneusement conçue permet au champ électrique de grille de pénétrer suffisamment dans l'électrode et de moduler plus uniformément la concentration et le type de porteur semi-conducteur pour induire une jonction p-n. Cela permet la création de jonctions p-n de haute qualité dans des semi-conducteurs qui sont difficiles voire impossibles à doper par des méthodes chimiques conventionnelles.
"Notre technologie ne nécessite que le dépôt d'électrodes et de grilles, sans besoin de dopage chimique à haute température, Implantation ionique, ou d'autres procédés coûteux ou dommageables, " explique l'auteur principal William Regan. " La clé de notre succès est l'écran minimal du champ de grille qui est réalisé grâce à la structuration géométrique de l'électrode supérieure. Cela permet d'effectuer simultanément le contact électrique et la modulation de la porteuse du semi-conducteur."
Sous le système SFPV, l'architecture de l'électrode supérieure est structurée de manière à ce qu'au moins une des dimensions de l'électrode soit confinée. Dans une configuration, travailler avec de l'oxyde de cuivre, les chercheurs de Berkeley ont façonné le contact de l'électrode en doigts étroits; dans une autre configuration, travailler avec du silicium, ils ont rendu le contact supérieur ultra-mince (graphène à couche unique) sur toute la surface. Avec des doigts suffisamment étroits, le champ de grille crée une couche d'inversion à faible résistance électrique entre les doigts et une barrière de potentiel en dessous d'eux. Un contact supérieur uniformément mince permet aux champs de grille de pénétrer et d'épuiser/inverser le semi-conducteur sous-jacent. Les résultats dans les deux configurations sont des jonctions p-n de haute qualité.
Selon le co-auteur Feng Wang, « Nos démonstrations montrent qu'une écurie, La jonction p-n à contact électrique peut être obtenue avec presque tous les semi-conducteurs et tout matériau d'électrode grâce à l'application d'un champ de grille à condition que l'électrode soit correctement structurée géométriquement.
Les chercheurs ont également démontré l'effet SFPV dans une configuration à déclenchement automatique, dans lequel la grille était alimentée en interne par l'activité électrique de la cellule elle-même.
"La configuration à déclenchement automatique élimine le besoin d'une source d'alimentation de grille externe, ce qui simplifiera la mise en œuvre pratique des dispositifs SFPV, " dit Regan. " De plus, la grille peut jouer un double rôle de revêtement antireflet, une caractéristique déjà courante et nécessaire pour le photovoltaïque à haut rendement."
