(Phys.org) — Des chercheurs ont montré comment augmenter l'efficacité des cellules solaires à couche mince, une technologie qui pourrait apporter de l'énergie solaire à faible coût. L'approche utilise des "cristaux photoniques" 3D pour absorber plus de lumière solaire que les cellules à couche mince conventionnelles.

Les cristaux synthétiques possèdent une structure appelée "opale inverse" pour utiliser et améliorer les propriétés des pierres précieuses pour se refléter, diffracter et plier la lumière du soleil entrante.

"D'habitude, dans les cellules solaires en silicium à couche mince, une grande partie de la lumière du soleil revient directement, mais en utilisant notre approche, la lumière entre et elle est diffractée, le faire se propager selon un chemin parallèle à l'intérieur du film, " dit Pierre Bermel, professeur adjoint à l'École de génie électrique et informatique de l'Université Purdue et au Birck Nanotechnology Center.

Par rapport aux cellules solaires constituées de plaquettes de silicium, le coût est réduit de 100 fois pour les films minces. Cependant, ils sont moins efficaces.

"La question est, Pouvons-nous compenser cette baisse d'efficacité en introduisant de nouvelles approches de piégeage de la lumière pour les cellules solaires à couche mince ?", a déclaré Bermel. « Pouvons-nous combiner faible coût et hautes performances ? »

Les chercheurs sont les premiers à démontrer l'incorporation des cristaux photoniques 3D pour augmenter le piégeage de la lumière dans les cellules solaires en silicium cristallin. Les résultats expérimentaux indiquent une augmentation d'environ 10 % de l'efficacité par rapport aux films minces de silicium conventionnels, avec un potentiel d'amélioration supplémentaire.

La technologie est meilleure pour absorber et récolter la lumière proche infrarouge.

"L'une des principales raisons pour lesquelles les cellules solaires en silicium à couche mince ont une efficacité inférieure est qu'elles n'absorbent pas très efficacement la lumière infrarouge proche, " La lumière dans le proche infrarouge est importante car il y a beaucoup d'énergie solaire dans cette gamme de longueurs d'onde et aussi parce que le silicium peut convertir la lumière proche infrarouge en énergie s'il peut l'absorber, mais les films minces ne l'absorbent pas complètement."

Les résultats ont été détaillés dans un document de recherche paru en octobre dans la revue scientifique à comité de lecture Matériaux optiques avancés .

L'article a été rédigé par le doctorant Leo T. Varghese, qui a obtenu son diplôme ; professeur de recherche Yi Xuan; doctorant Ben Niu; ancien doctorant Li Fan, qui a également obtenu son diplôme ; Bermel; et Minghao Qi, professeur agrégé de génie électrique et informatique.

Les chercheurs ont créé des opales inverses à l'aide d'un processus appelé auto-assemblage par ménisque.

"Vous pouvez les fabriquer sur commande ou sur mesure, et nous avons décidé de les faire pour les cellules solaires afin d'améliorer l'absorption de la lumière, " dit Qi.

Le silicium est depuis de nombreuses années le matériau dominant utilisé dans les cellules solaires. Cependant, les cellules solaires constituées de plaquettes de silicium monocristallin épaisses sont trop chères pour être pratiques pour une application généralisée. Cette limitation a conduit à l'innovation récente dans les cellules solaires en silicium multicristallin et à couche mince.

"Notre prémisse est d'utiliser seulement 1% autant de matériau qu'une plaquette de silicium en utilisant ces films minces de silicium cristallin, " dit Qi.

Les applications des cellules solaires à couche mince incluent la production d'électricité pour les services publics et la maison, ainsi que des applications à plus petite échelle telles que la recharge mobile d'appareils électroniques.

Les opales naturelles créent des motifs arc-en-ciel causés lorsque différentes longueurs d'onde de lumière sont diffractées sous différents angles. Les opales sont constituées de sphères de silice solides dans une matrice d'un autre matériau. Les nouvelles structures synthétiques sont appelées opales inverses car elles sont constituées de sphères d'air creuses entourées de silicium.

Les chercheurs construisent d'abord une structure opale standard. Les sphères sont placées dans une solution, qui s'évapore, laissant la structure auto-assemblée.

"Au fur et à mesure qu'il s'évapore, les sphères s'empilent sur le substrat juste au niveau du ménisque, l'interface entre le liquide et l'air, " dit Varghèse.

Les fabricants augmentent désormais l'absorption lumineuse en gravant ou en déposant des textures aléatoires sur les films minces.

"Nous pensons qu'il est préférable de combiner à la fois le caractère aléatoire texturé ainsi que la structure ordonnée, " Bermel a déclaré. "La texture aide bien avec certaines longueurs d'onde et la structure ordonnée aidera avec d'autres."