Une couche de nanocristaux de silicium et d'ions erbium peut aider les cellules solaires à extraire plus d'énergie des ultraviolets (UV, haute énergie) faisant partie du spectre solaire. Des physiciens expérimentateurs de la Fondation FOM, la STW Technology Foundation et l'Université d'Amsterdam ont publié cette nouvelle dans Communication Nature le 13 août 2014. Lorsque les cellules solaires conventionnelles à base de silicium absorbent la lumière UV, une grande partie de son énergie est perdue sous forme de chaleur. Les chercheurs ont montré que cet excès d'énergie peut être utilisé pour exciter plusieurs ions erbium. Cela provoque l'émission de lumière par les ions, qui peut ensuite être converti en électricité.

Les cellules solaires conventionnelles ne peuvent convertir efficacement qu'une petite partie du spectre solaire en électricité. Les particules lumineuses de faible énergie (photons) ne sont pas absorbées, car ils n'ont pas assez d'énergie pour combler la bande interdite du matériau à partir duquel les cellules solaires sont fabriquées. Par contre, les photons de haute énergie peuvent être absorbés, mais en quelques picosecondes (10 ^-12 secondes) une grande partie de leur énergie est transformée en chaleur. Cela limite l'efficacité maximale à seulement 30 pour cent.

Rapide et efficace

Saba Saeed et ses collègues ont maintenant montré que l'efficacité de conversion peut potentiellement être augmentée en utilisant mieux l'énergie contenue dans ces photons de haute énergie. Ceci peut être réalisé avec une couche constituée de dioxyde de silicium, des nanocristaux de silicium (particules d'une taille d'un milliardième de mètre) et des ions erbium. Les nanocristaux de silicium transfèrent son excès d'énergie aux ions erbium, avant qu'il ne soit perdu sous forme de chaleur. Cela conduit à l'émission de plusieurs photons infrarouges de basse énergie par photon absorbé, qui peut produire de l'électricité supplémentaire. Par rapport aux concentrateurs de lumière solaire, qui utilisent parfois aussi des terres rares comme l'erbium, cette technique offre la perspective d'une plus grande efficacité.

Façonneur spectral

Bien que le processus ait été démontré expérimentalement, il n'a pas encore été utilisé dans une architecture photovoltaïque (une cellule solaire). À l'avenir, une couche de nanocristaux de silicium et d'ions erbium pourrait être placée au-dessus des cellules solaires en tant que «formateur spectral», pour augmenter leur efficacité. Les « formateurs spectraux » convertiraient les photons UV à haute énergie en plusieurs photons à basse énergie, qui peut ensuite être utilisé pour produire de l'électricité dans une cellule solaire.

L'étude de suivi se concentrera sur le raffinement des couches de conversion en modifiant la taille et l'espacement des nanocristaux de silicium, la concentration et le type d'ions de terres rares, et en optimisant l'épaisseur de la couche. Il sera également étudié si un tel «formateur spectral» peut être intégré dans la couche de revêtement antireflet recouvrant chaque cellule solaire.