Un gros plan montre comment le carré nanotexturé de silicium bloque complètement la réflexion par rapport à la plaquette de silicium environnante. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
La réduction de la quantité de lumière solaire qui rebondit sur la surface des cellules solaires aide à maximiser la conversion des rayons du soleil en électricité, les fabricants utilisent donc des revêtements pour réduire les reflets. Aujourd'hui, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis montrent que la gravure d'une texture à l'échelle nanométrique sur le silicium lui-même crée une surface antireflet qui fonctionne aussi bien que des revêtements multicouches à couche mince à la pointe de la technologie.
Leur méthode, décrit dans le journal Communication Nature et soumis à la protection par brevet, a le potentiel de rationaliser la production de cellules solaires au silicium et de réduire les coûts de fabrication. L'approche peut trouver des applications supplémentaires dans la réduction de l'éblouissement des fenêtres, fournir un camouflage radar pour l'équipement militaire, et augmenter la luminosité des diodes électroluminescentes.
"Pour les applications antireflet, l'idée est d'empêcher les ondes lumineuses ou radio de rebondir aux interfaces entre les matériaux, " a déclaré le physicien Charles Black, qui a dirigé la recherche au Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Empêcher les réflexions nécessite de contrôler un changement brutal de "l'indice de réfraction, " une propriété qui affecte la façon dont les ondes telles que la lumière se propagent à travers un matériau. Cela se produit à l'interface où se rencontrent deux matériaux avec des indices de réfraction très différents, par exemple à l'interface entre l'air et le silicium. L'ajout d'un revêtement d'indice de réfraction intermédiaire à l'interface facilite la transition entre les matériaux et réduit la réflexion, Noir a expliqué.
« Le problème avec l'utilisation de tels revêtements pour les cellules solaires, " il a dit, « est-ce que nous préférerions capturer pleinement toutes les couleurs du spectre lumineux dans l'appareil, et nous aimerions capturer la lumière quelle que soit la direction d'où elle vient. Mais chaque couleur de lumière se marie mieux avec un revêtement antireflet différent, et chaque revêtement est optimisé pour la lumière provenant d'une direction particulière. Vous traitez donc ces problèmes en utilisant plusieurs couches antireflet. Nous étions intéressés par la recherche d'un meilleur moyen."
Pour l'inspiration, les scientifiques se sont tournés vers un exemple bien connu de surface antireflet dans la nature, les yeux des mites communes. Les surfaces de leurs yeux composés ont des motifs texturés constitués de nombreux minuscules "poteaux, " chacune plus petite que les longueurs d'onde de la lumière. Cette surface texturée améliore la vision nocturne des papillons, et empêche également le "cerf dans les phares" de refléter la lueur qui pourrait permettre aux prédateurs de les détecter.
« Nous avons entrepris de recréer des motifs d'œil de papillon en silicium à des tailles encore plus petites en utilisant des méthodes de nanotechnologie, " a déclaré Atikur Rahman, un stagiaire postdoctoral travaillant avec Black au CFN et premier auteur de l'étude.
Détails de la surface antireflet nanotexturée révélée par un microscope électronique à balayage au Center for Functional Nanomaterials. Les petits messages, chacune plus petite que les longueurs d'onde de la lumière, rappellent la structure des yeux des papillons de nuit, un exemple de surface antireflet trouvée dans la nature. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les scientifiques ont commencé par recouvrir la surface supérieure d'une cellule solaire en silicium d'un matériau polymère appelé « copolymère séquencé, " qui peut être fait pour s'auto-organiser en un motif de surface ordonné avec des dimensions mesurant seulement des dizaines de nanomètres. Le motif auto-assemblé a servi de modèle pour former des poteaux dans la cellule solaire comme ceux de l'œil du papillon en utilisant un plasma de gaz réactifs -une technique couramment utilisée dans la fabrication de circuits électroniques semi-conducteurs.
La nanotexture de surface résultante a servi à modifier progressivement l'indice de réfraction pour réduire considérablement la réflexion de nombreuses longueurs d'onde de la lumière simultanément, quelle que soit la direction de la lumière frappant la cellule solaire.
"L'ajout de ces nanotextures a rendu la surface de silicium normalement brillante absolument noire, " dit Rahman.
Les cellules solaires texturées de cette manière surpassent d'environ 20 % celles recouvertes d'un seul film antireflet, et apporter de la lumière dans l'appareil ainsi que les meilleurs revêtements multicouches utilisés dans l'industrie.
"Nous travaillons pour comprendre s'il y a des avantages économiques à assembler des cellules solaires au silicium en utilisant notre méthode, par rapport aux autres, processus établis dans l'industrie, " dit Noir.
La couche cachée explique des performances meilleures que prévu
Un aspect intrigant de l'étude était que les scientifiques ont atteint la performance antireflet en créant des nanopostes seulement la moitié de la hauteur requise prédite par un modèle mathématique décrivant l'effet. Ils ont donc fait appel à l'expertise de collègues du CFN et d'autres scientifiques de Brookhaven pour aider à résoudre le mystère.
Chuck Black du Center for Functional Nanomaterials affiche un carré de silicium nanotexturé au-dessus d'une plaquette de silicium ordinaire. La surface nanotexturée est totalement antireflet et pourrait stimuler la production d'énergie solaire à partir de cellules solaires en silicium. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
« C'est un puissant avantage de faire de la recherche au CFN-à la fois pour nous et pour les chercheurs universitaires et industriels venant utiliser nos installations, " dit Black. " Nous avons tous ces experts autour qui peuvent vous aider à résoudre vos problèmes. "
En utilisant une combinaison de modélisation informatique, microscopie électronique, et science des surfaces, l'équipe en a déduit qu'une fine couche d'oxyde de silicium similaire à ce qui se forme généralement lorsque le silicium est exposé à l'air semblait avoir un effet démesuré.
"Sur une surface plane, cette couche est si fine que son effet est minime, " a expliqué Matt Eisaman du département des technologies de l'énergie durable de Brookhaven et professeur à l'université de Stony Brook. " Mais sur la surface à nanomotifs, avec la fine couche d'oxyde entourant tous les côtés de la nanotexture, l'oxyde peut avoir un effet plus important car il constitue une partie importante du matériau nanotexturé."
dit Noir, "Cette couche 'cachée' était la clé de l'augmentation supplémentaire des performances."
Les scientifiques sont maintenant intéressés à développer leur méthode basée sur l'auto-assemblage de structuration de nanotexture pour d'autres matériaux, y compris le verre et le plastique, pour fenêtres anti-éblouissantes et revêtements pour panneaux solaires.
