(Phys.org) - L'utilisation d'une forme exotique de silicium pourrait considérablement améliorer l'efficacité des cellules solaires, selon des simulations informatiques par des chercheurs de l'Université de Californie, Davis, et en Hongrie. Le travail a été publié le 25 janvier dans la revue Lettres d'examen physique .

Les cellules solaires sont basées sur l'effet photoélectrique :un photon, ou particule de lumière, frappe un cristal de silicium et génère un électron chargé négativement et un trou chargé positivement. La collecte de ces paires électron-trou génère un courant électrique.

Les cellules solaires conventionnelles génèrent une paire électron-trou par photon entrant, et ont une efficacité maximale théorique de 33 pour cent. Une nouvelle voie passionnante pour améliorer l'efficacité consiste à générer plus d'une paire électron-trou par photon, dit Giulia Galli, professeur de chimie à UC Davis et co-auteur de l'article.

"Cette approche est capable d'augmenter l'efficacité maximale à 42 %, au-delà de toute cellule solaire disponible aujourd'hui, ce qui serait un gros problème, " a déclaré l'auteur principal Stefan Wippermann, chercheur postdoctoral à l'UC Davis.

"En réalité, il y a des raisons de croire que si des miroirs paraboliques sont utilisés pour focaliser la lumière du soleil sur une telle cellule solaire de nouveau paradigme, son efficacité pourrait atteindre jusqu'à 70 pour cent, " a déclaré Wippermann.

Galli a dit que les nanoparticules ont une taille de nanomètres, généralement juste quelques atomes à travers. En raison de leur petite taille, bon nombre de leurs propriétés sont différentes de celles des matériaux en vrac. En particulier, la probabilité de générer plus d'une paire électron-trou est beaucoup plus élevée, entraîné par un effet appelé "confinement quantique". Des expériences pour explorer ce paradigme sont menées par des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos, le Laboratoire national des énergies renouvelables à Golden, Colo., ainsi qu'à UC Davis.

"Mais avec des nanoparticules de silicium conventionnel, le paradigme ne fonctionne qu'en lumière ultraviolette, " Wippermann a déclaré. "Cette nouvelle approche ne deviendra utile que lorsqu'il sera démontré qu'elle fonctionne à la lumière du soleil visible."

Les chercheurs ont simulé le comportement d'une structure de silicium appelée silicium BC8, qui se forme sous haute pression mais est stable aux pressions normales, tout comme le diamant est une forme de carbone formé sous haute pression mais stable à des pressions normales.

Les simulations informatiques ont été effectuées par le National Energy Research Scientific Supercomputing Center du Lawrence Berkeley Laboratory, qui a accordé au projet 10 millions d'heures de temps de supercalculateur.

Les simulations ont démontré que les nanoparticules de silicium BC8 génèrent en effet plusieurs paires électron-trou par photon même lorsqu'elles sont exposées à la lumière visible.

"C'est plus qu'un exercice académique. Un article de Harvard-MIT a montré que lorsque des cellules solaires en silicium normales sont irradiées avec de la lumière laser, l'énergie émise par le laser peut créer une pression locale suffisamment élevée pour former des nanocristaux BC8. Ainsi, le traitement laser ou chimique sous pression des cellules solaires existantes peut les transformer en ces cellules à plus haut rendement, " a déclaré le co-auteur Gergely Zimanyi, professeur de physique à UC Davis.