(Phys.org)—Les scientifiques ont conçu une nouvelle cellule solaire multijonction qui, en simulation, peut atteindre une efficacité de 51,8%. Cette haute performance dépasse l'objectif actuel de 50% d'efficacité dans la recherche sur les cellules solaires multijonctions ainsi que le record mondial actuel de 43,5% pour une cellule solaire à 3 jonctions.

Le travail a été réalisé par une collaboration de chercheurs du California Institute of Technology de Pasadena; l'Institut national des normes et de la technologie à Gaithersburg, Maryland; l'Université du Maryland à College Park; et Boeing-Spectrolab, Inc., à Sylmar, Californie. L'équipe a publié un article sur son travail dans un récent numéro de Lettres de physique appliquée .

Comme l'expliquent les chercheurs, Les cellules solaires multijonctions sont l'un des dispositifs les plus prometteurs pour convertir efficacement la lumière du soleil en électricité. Dans les cellules solaires multijonctions, chaque jonction ou sous-cellule absorbe et convertit la lumière solaire d'une région spécifique du spectre. Les sous-cellules peuvent être empilées les unes sur les autres de sorte que la lumière du soleil frappe d'abord la sous-cellule à bande interdite la plus élevée, qui est accordé à la lumière avec les longueurs d'onde les plus courtes ou les énergies les plus élevées. Les longueurs d'onde les plus longues traversent la première sous-cellule et frappent les sous-cellules inférieures à bande interdite.

Cette disposition offre un avantage significatif par rapport aux cellules solaires à simple jonction, qui ont une efficacité théorique maximale de seulement 34%. En théorie, une cellule solaire « à jonction infinie » a un rendement théorique maximum de près de 87 %. Mais pour approcher ce niveau, les cellules solaires multijonctions ont non seulement besoin de plusieurs sous-cellules, mais des matériaux semi-conducteurs optimaux pour les sous-cellules afin de fournir une combinaison de bandes interdites qui couvrent autant que possible le spectre solaire.

Pour améliorer les meilleures cellules solaires multijonctions actuelles, les chercheurs se sont concentrés ici sur l'amélioration de la correspondance actuelle entre les différentes sous-cellules, avec l'utilisation d'un design assorti en treillis. Ces deux facteurs ont auparavant limité l'efficacité des cellules solaires multijonctions.

"L'appariement du réseau correspond à l'appariement entre les mailles cristallines des différentes sous-cellules, " auteur principal Marina Leite, chercheur en énergie au National Institute of Standards and Technology, Raconté Phys.org . "En utilisant des sous-cellules qui correspondent au réseau, nous pouvons minimiser les dislocations et autres défauts cristallins qui peuvent affecter de manière significative les performances de l'appareil. Une correspondance de courant est requise pour les configurations en tandem à deux bornes car dans ce cas, un seul courant traverse toutes les sous-cellules et les tensions sont ajoutées ; donc, si une sous-cellule a moins de photocourant, cela limitera le courant généré par l'ensemble du dispositif. La correspondance actuelle est souhaitée afin que chaque sous-cellule individuelle fonctionne à son propre point de fonctionnement de puissance maximale."

Les chercheurs ont effectué des simulations complètes de l'appareil pour étudier l'efficacité potentielle de la cellule solaire. Pour chaque couche de la modélisation, ils ont pris en compte de nombreux facteurs, comme la composition des matériaux, constante de réseau, épaisseur, constante diélectrique, affinité électronique, bande interdite, densités effectives de conduction et de bande de valence, mobilités des électrons et des trous, la concentration de dopage des accepteurs et des donneurs superficiels, la vitesse thermique des électrons et des trous, la densité de l'alliage, Recombinaison Auger pour les électrons et les trous, recombinaison directe de bande à bande, et combien de photons avec une longueur d'onde spécifique sont absorbés et réfléchis par chaque couche en fonction de ses propriétés diélectriques.

Compte tenu de tous ces facteurs, les simulations ont montré que la conception à 3 jonctions pouvait atteindre une efficacité de 51,8% sous un éclairage de 100 soleils, une grande amélioration par rapport au meilleur rendement actuel de 43,5% sous un éclairage de 418 soleils. Les trois sous-cellules de la nouvelle conception avaient une efficacité quantique externe maximale de 80 % et absorbaient la lumière d'une large gamme du spectre.

"Les cellules solaires multijonctions sont testées sous différents nombres de soleils car elles sont souvent utilisées dans les systèmes photovoltaïques à concentrateur, qui nous permettent de réduire la taille ou le nombre de cellules nécessaires, " Leite a expliqué. "Ces stratégies tolèrent l'utilisation de matériaux semi-conducteurs plus chers, ce qui serait autrement prohibitif. Les résultats peuvent certainement être comparés les uns aux autres, tant que les sources d'éclairage sont bien calibrées."

Les chercheurs ont également construit une cellule solaire de preuve de principe avec une conception équivalente, qu'ils ont fabriqués sur un substrat de phosphure d'indium (InP). La cellule solaire n'a pas été optimisée, son efficacité était donc loin de la prédiction théorique, mais les résultats ont néanmoins démontré la capacité de réaliser expérimentalement la conception. Les scientifiques prédisent que, avec d'autres améliorations, cette cellule solaire équivalente à 3 jonctions pourrait avoir un rendement pratique d'environ 20 % sous un seul éclairage solaire.

"[La cellule solaire fabriquée] présente une faible correspondance de courant mais démontre notre capacité à développer des composés semi-conducteurs de haute qualité avec une densité de défauts extrêmement faible et une stoechiométrie très proche de ce qui est requis pour la conception optimisée, " Leite a déclaré. " La conception optimisée pour la bande interdite est formée par la même classe d'alliages, et a un grand match en cours. Donc, lors de l'optimisation des revêtements antireflet et d'autres paramètres de conception, les simulations indiquent que l'on peut atteindre plus de 50 % sous une lumière solaire concentrée."

En plus d'un revêtement antireflet optimisé, certaines des autres améliorations peuvent impliquer l'ajout de couches de fenêtre et de surface arrière pour réduire les pertes et l'épaississement des deux sous-cellules inférieures pour absorber plus complètement la lumière de grande longueur d'onde.

"Je suis très enthousiasmé par nos premiers résultats concernant une conception optimisée pour la bande interdite, " a déclaré Leite. " Dans un avenir proche, je prévois de travailler sur l'intégration de la conception optimisée dans le modèle monocristallin afin de fabriquer un premier monolithique (1,93 eV)InAlAs/(1,39 eV) InGaAsP/(0,94 eV)InGaAs solaire cellule. Simultanément, nous étudions des options de revêtement antireflet pour la sous-cellule supérieure InAlAs, ce qui nécessitera un matériau sans oxygène ou la combinaison d'un oxyde et d'un sulfure comme couche protectrice."

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