Une cellule solaire conventionnelle, la gauche, réfléchit la lumière sur sa surface et perd la lumière qui pénètre dans la cellule. Nouvelle technologie, droit, développé par le professeur de Princeton Stephen Chou et ses collègues en génie électrique, empêche les deux types de perte et est beaucoup plus mince. Crédit :Illustration de Dimitri Karetnikov
Les chercheurs de Princeton ont trouvé un moyen simple et économique de presque tripler l'efficacité des cellules solaires organiques, les dispositifs en plastique bon marché et flexibles qui, selon de nombreux scientifiques, pourraient être l'avenir de l'énergie solaire.
Les chercheurs, dirigé par l'ingénieur électricien Stephen Chou, ont pu augmenter l'efficacité de 175% en utilisant un "sandwich" nanostructuré de métal et de plastique qui collecte et piège la lumière. Chou a déclaré que la technologie devrait également augmenter l'efficacité des capteurs solaires inorganiques conventionnels, tels que les panneaux solaires en silicium standard, bien qu'il ait averti que son équipe n'a pas encore terminé la recherche avec des dispositifs inorganiques.
Chou a déclaré que l'équipe de recherche a utilisé la nanotechnologie pour surmonter deux principaux défis qui font perdre de l'énergie aux cellules solaires :la lumière réfléchie par la cellule, et l'incapacité de capturer pleinement la lumière qui pénètre dans la cellule.
Avec leur nouveau sandwich métallique, les chercheurs ont pu résoudre les deux problèmes. Le sandwich - appelé cavité plasmonique sous-longueur d'onde - a une capacité extraordinaire à amortir la réflexion et à piéger la lumière. La nouvelle technique a permis à l'équipe de Chou de créer une cellule solaire qui ne reflète qu'environ 4 % de la lumière et absorbe jusqu'à 96 %. Il démontre une efficacité de conversion de la lumière en énergie électrique 52% supérieure à celle d'une cellule solaire conventionnelle.
C'est pour la lumière directe du soleil. La structure atteint encore plus d'efficacité pour la lumière qui frappe la cellule solaire à de grands angles, qui se produit les jours nuageux ou lorsque la cellule n'est pas directement face au soleil. En capturant ces rayons angulaires, la nouvelle structure augmente l'efficacité de 81 % supplémentaires, conduisant à l'augmentation totale de 175%.
La physique derrière l'innovation est redoutablement complexe. Mais la structure de l'appareil, dans la conception, est assez simple.
La couche supérieure, connu sous le nom de couche fenêtre, de la nouvelle cellule solaire utilise un maillage métallique incroyablement fin :le métal a une épaisseur de 30 nanomètres, et chaque trou mesure 175 nanomètres de diamètre et 25 nanomètres l'un de l'autre. Ce maillage remplace la couche de fenêtre conventionnelle généralement constituée d'un matériau appelé oxyde d'indium-étain (ITO).
Cette image au microscope électronique montre le maillage d'or créé par Chou et ses collègues. Chaque trou mesure 175 nanomètres de diamètre, qui est plus petite que la longueur d'onde de la lumière. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation du laboratoire Chou
La couche de fenêtre en maille est placée très près de la couche inférieure du sandwich, le même film métallique utilisé dans les cellules solaires conventionnelles. Entre les deux tôles se trouve une fine bande de matériau semi-conducteur utilisé dans les panneaux solaires. Il peut s'agir de n'importe quel type - silicium, plastique ou arséniure de gallium - bien que l'équipe de Chou ait utilisé un plastique de 85 nanomètres d'épaisseur.
Les caractéristiques de la cellule solaire – l'espacement du maillage, l'épaisseur du sandwich, le diamètre des trous - sont tous plus petits que la longueur d'onde de la lumière collectée. Ceci est essentiel car la lumière se comporte de manière très inhabituelle dans les structures sous-longueur d'onde. L'équipe de Chou a découvert que l'utilisation de ces structures sous-longueur d'onde leur permettait de créer un piège dans lequel la lumière pénètre, avec presque aucune réflexion, et ne part pas.
Un élément clé de la nouvelle technologie est une fine maille dorée, qui sert de couche "fenêtre" pour la cellule solaire. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation du laboratoire Chou
"C'est comme un trou noir pour la lumière, " dit Chou. " Il le piège. "
L'équipe appelle le système une "cavité plasmonique avec un réseau de trous de sous-longueur d'onde" ou PlaCSH. Des photos de la surface des cellules solaires PlaCSH démontrent cet effet d'absorption de la lumière :sous la lumière du soleil, une cellule d'énergie solaire standard semble teintée en raison de la lumière réfléchie par sa surface, mais le PlaCSH semble noir profond en raison de la réflexion de la lumière extrêmement faible.
Les chercheurs s'attendaient à une augmentation de l'efficacité de la technique, "mais il est clair que l'augmentation que nous avons constatée était au-delà de nos attentes, " dit Chou.
Chou et l'étudiant diplômé Wei Ding ont rapporté leurs découvertes dans le journal Optique Express , publié en ligne le 28 novembre 2012. Leurs travaux ont été soutenus en partie par la Defense Advanced Research Projects Agency, l'Office of Naval Research et la National Science Foundation.
Les chercheurs ont déclaré que les cellules solaires PlaCSH peuvent être fabriquées de manière rentable en feuilles de papier peint. Le laboratoire de Chou a utilisé "nanoimprint, " une technique de nanofabrication à faible coût que Chou a inventée il y a 16 ans, qui gaufre des nanostructures sur une grande surface, comme imprimer un journal.
Outre le design innovant, le travail consistait à optimiser le système. Obtenir la structure exacte "est essentiel pour atteindre une efficacité élevée, " dit Ding, un étudiant diplômé en génie électrique.
Chou a déclaré que le développement pourrait avoir un certain nombre d'applications en fonction du type de capteur solaire. Dans cette série d'expériences, Chou et Ding ont travaillé avec des cellules solaires en plastique, appelées cellules solaires organiques. Le plastique est bon marché et malléable et la technologie est très prometteuse, mais son utilisation commerciale a été limitée en raison du faible rendement des cellules solaires organiques.
En plus d'une augmentation directe de l'efficacité des cellules, le nouveau film métallique nanostructuré remplace également l'électrode ITO actuelle qui est la partie la plus chère de la plupart des cellules solaires organiques actuelles.
"PlaCSH est également extrêmement flexible, " dit Chou. " La propriété mécanique de l'ITO est comme le verre; c'est très cassant."
