Dans la quête de rendre l'énergie solaire plus compétitive, les chercheurs conçoivent des cellules solaires ultrafines qui réduisent les coûts des matériaux. Dans le même temps, ils maintiennent l'efficacité de ces cellules minces en sculptant leurs surfaces avec des nanostructures photovoltaïques qui se comportent comme une salle de miroirs moléculaires.

"Nous voulons nous assurer que la lumière passe plus de temps de qualité à l'intérieur d'une cellule solaire, " a déclaré Mark Brongersma, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford et co-auteur d'un article de synthèse dans Matériaux naturels .

Brongersma et deux collègues de Stanford - professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux Yi Cui et professeur d'ingénierie électrique Shanhui Fan - ont examiné 109 articles scientifiques récents d'équipes du monde entier.

Leur tour d'horizon s'articule autour d'un thème de base :examiner les nombreuses manières différentes dont les chercheurs tentent de maximiser les collisions entre photons et électrons dans les couches les plus fines possibles de matériaux photovoltaïques. L'objectif est de révéler les tendances et les meilleures pratiques qui aideront à stimuler les développements dans le domaine.

L'énergie solaire est produite lorsque des photons de lumière entrent en collision avec les électrons dans un cristal photovoltaïque. Lorsque les électrons libres se déplacent à travers le cristal, ils génèrent un courant électrique.

Les cellules solaires d'aujourd'hui sont déjà minces. Ils sont constitués de couches de matériaux photovoltaïques, généralement du silicium, qui font en moyenne 150 à 300 micromètres, qui est à peu près le diamètre de deux à trois cheveux humains.

Alors que les ingénieurs continuent de réduire ces dimensions, ils doivent développer de nouveaux pièges et pièges moléculaires pour s'assurer que les photons ne passent pas simplement à travers leurs cellules solaires ultrafines avant que les étincelles électriques ne puissent voler.

"Une grande partie de l'excitation est maintenant d'utiliser les principes de la photonique pour gérer les ondes lumineuses de la manière la plus efficace, ", a déclaré Fan. "Il y a peut-être des centaines de groupes dans le monde qui travaillent là-dessus."

L'article de synthèse fournit une vue de haut niveau de la façon dont les scientifiques tentent de concevoir des structures pour faciliter les interactions entre les instigateurs infinitésimaux du courant solaire, les photons et les électrons.

La recherche est confrontée à d'énormes défis en essayant de concevoir des nanostructures adaptées pour capter la lumière. La lumière du soleil se compose de plusieurs couleurs. Quand nous voyons arc-en-ciel, ce que nous voyons est le résultat de l'humidité atmosphérique agissant comme un prisme pour plier la lumière dans ses couleurs constitutives. La création de différentes nanostructures pour attraper le pot de photons à la fin de chaque couleur de l'arc-en-ciel fait partie de l'objet de cette recherche.

Néanmoins, les scientifiques signalent déjà un certain succès

« Nous voyons des systèmes qui utilisent un centième autant de matériau photovoltaïque que les cellules solaires d'aujourd'hui tout en obtenant 60 % à 70 % de la production électrique, " a déclaré Brongersma.

Le matériau photovoltaïque le plus courant est une forme raffinée de silicium similaire à celle que l'on trouve dans les puces informatiques. Ce matériau représente 10 à 20 % du coût d'une cellule solaire. Réduire ces dépenses par 100 aurait donc un effet considérable sur la rentabilité globale de la production d'énergie solaire.

Mais Cui dit que la réduction des coûts des matériaux n'est qu'une partie de la poussée derrière le solaire ultra-mince. Un autre avantage est la flexibilité. En raison de l'épaisseur de la couche de silicium qui capte la lumière, les cellules solaires d'aujourd'hui doivent rester rigides de peur que leur réseau cristallin ne soit endommagé et que le flux d'électrons ne soit perturbé.

"Mais à 10 micromètres d'épaisseur, le silicium a une grande flexibilité mécanique, " dit Cui, citant une dimension inférieure à un dixième de l'épaisseur de la couche photovoltaïque à l'intérieur des cellules solaires d'aujourd'hui.

Cui, qui a fait un tel matériel expérimental, montre un film de battement de ce silicium mince comme un morceau de papier et de le couper avec des ciseaux (voir les vidéos séparées; battement /ci-dessus/ et coupe /dessous/). Ces fines bandes de silicium incorporent certaines des nanostructures de piégeage de photons décrites dans le Matériaux naturels article. Cui dit que l'efficacité de conversion lumière-énergie du silicium mince se rapproche de celle du silicium rigide dans les cellules solaires d'aujourd'hui.

Le battement de silicium n'est pas seulement un projet scientifique. Une telle flexibilité serait payante en ce qui concerne l'installation, ce qui représente environ un tiers du coût total d'un panneau solaire sur le toit. "Ces cellules minces en silicium peuvent être intégrées dans du plastique souple, faire l'installation comme dérouler un tapis, " dit Cui.

Pourtant, même si les chercheurs réussissent à obtenir plus avec moins, de nombreux obstacles demeurent selon Fan, qui développe des modèles informatiques pour étudier comment différentes nanostructures et matériaux affecteront les interactions photon-électron.

« Il existe une infinité de structures, il n'est donc pas possible de tous les modéliser, " il a dit, faisant allusion à ce qu'il a appelé les « goulets d'étranglement théoriques » qui entravent la compréhension scientifique de ce royaume éthéré où la lumière et la matière se croisent.

"Par exemple, à l'heure actuelle, nous n'avons vraiment aucun moyen de savoir quand nous avons tiré le meilleur parti de nos photons, ", a déclaré Fan.