La lumière du soleil est convertie en courant électrique dans une structure en couches.
Des chercheurs de l'Université de technologie de Vienne montrent qu'une classe de matériaux récemment découverte peut être utilisée pour créer un nouveau type de cellule solaire.
Des couches atomiques uniques sont combinées pour créer de nouveaux matériaux aux propriétés complètement nouvelles. Les hétérostructures d'oxyde en couches sont une nouvelle classe de matériaux, qui a attiré beaucoup d'attention parmi les scientifiques des matériaux au cours des dernières années. Une équipe de recherche de l'Université de technologie de Vienne, avec des collègues des États-Unis et d'Allemagne, a maintenant montré que ces hétérostructures peuvent être utilisées pour créer un nouveau type de cellules solaires ultra-minces extrêmement efficaces.
Découvrir de nouvelles propriétés de matériaux dans des simulations informatiques
« Des couches atomiques uniques de différents oxydes sont empilées, créer un matériau avec des propriétés électroniques qui sont très différentes des propriétés que les oxydes individuels ont en eux-mêmes", déclare le professeur Karsten Held de l'Institute for Solid State Physics, Université de technologie de Vienne. Afin de concevoir de nouveaux matériaux avec exactement les bonnes propriétés physiques, les structures ont été étudiées dans des simulations informatiques à grande échelle. À la suite de cette recherche, les scientifiques de la TU de Vienne ont découvert que les hétérostructures d'oxyde ont un grand potentiel pour la construction de cellules solaires.
Elias Assmann (à gauche) et Karsten Held (à droite) démontrent l'idée derrière la nouvelle cellule solaire :la lumière est absorbée par une structure en couches, des porteurs de charge gratuits sont produits et le courant électrique commence à circuler.
Transformer la lumière en électricité
L'idée de base derrière les cellules solaires est l'effet photoélectrique. Sa version la plus simple avait déjà été expliquée par Albert Einstein en 1905 :lorsqu'un photon est absorbé, cela peut faire qu'un électron quitte sa place et que le courant électrique commence à circuler. Lorsqu'un électron est retiré, une région chargée positivement reste derrière - un soi-disant "trou". Les électrons chargés négativement ainsi que les trous contribuent au courant électrique.
"Si ces électrons et trous dans la cellule solaire se recombinent au lieu d'être transportés, rien ne se passe et l'énergie ne peut pas être utilisée", dit Elias Assmann, qui a réalisé une grande partie des simulations informatiques à la TU de Vienne. « L'avantage crucial du nouveau matériau est qu'à l'échelle microscopique, il y a un champ électrique à l'intérieur du matériau, qui sépare les électrons et les trous." Cela augmente l'efficacité de la cellule solaire.
Deux isolateurs font un métal
Les oxydes utilisés pour créer le matériau sont en fait des isolateurs. Cependant, si deux types d'isolateurs appropriés sont empilés, un effet étonnant peut être observé :les surfaces du matériau deviennent métalliques et conduisent le courant électrique. "Pour nous, c'est très important. Cet effet nous permet d'extraire commodément les porteurs de charge et de créer un circuit électrique", dit Karsten Held. Les cellules solaires conventionnelles en silicium nécessitent des fils métalliques à leur surface pour collecter les porteurs de charge, mais ces fils empêchent une partie de la lumière d'entrer dans la cellule solaire.
Tous les photons ne sont pas convertis en courant électrique avec la même efficacité. Pour différentes couleurs de lumière, différents matériaux fonctionnent mieux. "Les hétérostructures d'oxydes peuvent être ajustées en choisissant exactement les bons éléments chimiques", dit le professeur Blaha (TU Vienne). Dans les simulations informatiques, des oxydes contenant du Lanthane et du Vanadium ont été étudiés, car de cette façon, les matériaux fonctionnent particulièrement bien avec la lumière naturelle du soleil. « Il est même possible de combiner différents types de matériaux, afin que différentes couleurs de lumière puissent être absorbées dans différentes couches de la cellule solaire avec une efficacité maximale", dit Elias Assmann.
Mettre la théorie en pratique
L'équipe de la TU de Vienne était assistée de Satoshi Okamoto (Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA) et le professeur Giorgio Sangiovanni, un ancien employé de TU Vienne, qui travaille maintenant à l'Université de Würzburg, Allemagne. A Wurtzbourg, les nouvelles cellules solaires vont maintenant être construites et testées. « La production de ces cellules solaires constituées de couches d'oxyde est plus compliquée que la fabrication de cellules solaires au silicium standard. Mais partout où une efficacité extrêmement élevée ou une épaisseur minimale est requise, les nouvelles structures devraient pouvoir remplacer les cellules de silicium", Karsten Held croit.
