Une cellule solaire est essentiellement un semi-conducteur, qui convertit la lumière du soleil en électricité, pris en sandwich entre des contacts métalliques qui transportent le courant électrique.

Mais cette conception largement utilisée a un défaut :le métal brillant sur le dessus de la cellule réfléchit en fait la lumière du soleil loin du semi-conducteur où l'électricité est produite, réduisant l'efficacité de la cellule.

Maintenant, Des scientifiques de l'Université de Stanford ont découvert comment masquer le contact supérieur réfléchissant et diriger la lumière directement vers le semi-conducteur en dessous. Leurs découvertes, publié dans la revue ACS Nano , pourrait conduire à un nouveau paradigme dans la conception et la fabrication de cellules solaires.

"En utilisant la nanotechnologie, nous avons développé une nouvelle façon de rendre le contact métallique supérieur presque invisible à la lumière entrante, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Vijay Narasimhan, qui a mené le travail en tant qu'étudiant diplômé à Stanford. "Notre nouvelle technique pourrait améliorer considérablement l'efficacité et ainsi réduire le coût des cellules solaires."

Métal semblable à un miroir

Dans la plupart des cellules solaires, le contact supérieur est constitué d'une grille métallique qui transporte l'électricité vers ou depuis l'appareil. Mais ces fils empêchent également la lumière du soleil d'atteindre le semi-conducteur, qui est généralement en silicium.

"Plus vous avez de métal à la surface, plus vous bloquez la lumière, " a déclaré le co-auteur de l'étude Yi Cui, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux. "Cette lumière est alors perdue et ne peut pas être convertie en électricité."

Contacts métalliques, donc, "faire face à un compromis apparemment inconciliable entre la conductivité électrique et la transparence optique, " Narasimhan a ajouté. " Mais la nanostructure que nous avons créée élimine ce compromis. "

Pour l'étude, l'équipe de Stanford a placé un film d'or de 16 nanomètres d'épaisseur sur une feuille plate de silicium. Le film d'or était criblé d'un ensemble de trous carrés nanométriques, mais à l'oeil, la surface ressemblait à un brillant, miroir d'or.

L'analyse optique a révélé que le film d'or perforé couvrait 65 pour cent de la surface du silicium et réfléchissait, en moyenne, 50 pour cent de la lumière entrante. Les scientifiques ont estimé que s'ils pouvaient cacher d'une manière ou d'une autre le film d'or réfléchissant, plus de lumière atteindrait le semi-conducteur de silicium ci-dessous.

Nanopiliers de silicium

La solution :créer des piliers de silicium de taille nanométrique qui « tournent » au-dessus du film d'or et redirigent la lumière du soleil avant qu'elle n'atteigne la surface métallique.

La création de nanopiliers de silicium s'est avérée être un processus chimique en une seule étape.

"Nous avons plongé le silicium et le film d'or perforé ensemble dans une solution d'acide fluorhydrique et de peroxyde d'hydrogène, " a déclaré l'étudiant diplômé et co-auteur de l'étude Thomas Hymel. " Le film d'or a immédiatement commencé à s'enfoncer dans le substrat de silicium, et des nanopiliers de silicium ont commencé à apparaître à travers les trous du film."

En quelques secondes, les piliers de silicium ont atteint une hauteur de 330 nanomètres, transformant la surface dorée brillante en un rouge foncé. Ce changement de couleur spectaculaire était une indication claire que le métal ne réfléchissait plus la lumière.

« Dès que les nanopiliers de silicium ont commencé à émerger, ils ont commencé à canaliser la lumière autour de la grille métallique et dans le substrat de silicium en dessous, " expliqua Narasimhan.

Il a comparé le réseau de nanopiliers à une passoire dans votre évier de cuisine. "Quand tu ouvres le robinet, toute l'eau ne passe pas par les trous de la passoire, " dit-il. " Mais si vous deviez mettre un petit entonnoir au-dessus de chaque trou, la plupart de l'eau s'écoulerait directement sans problème. C'est essentiellement ce que fait notre structure :les nanopiliers agissent comme des entonnoirs qui capturent la lumière et la guident dans le substrat de silicium à travers les trous de la grille métallique. »

Gros coup de pouce

L'équipe de recherche a ensuite optimisé la conception grâce à une série de simulations et d'expériences.

« Les cellules solaires sont généralement ombragées par des fils métalliques qui couvrent 5 à 10 % de la surface supérieure, " Narasimhan a dit. " Dans notre meilleur design, près des deux tiers de la surface peuvent être recouverts de métal, pourtant, la perte de réflexion n'est que de 3 pour cent. Avoir autant de métal pourrait augmenter la conductivité et rendre la cellule beaucoup plus efficace pour convertir la lumière en électricité. »

Par exemple, cette technologie pourrait augmenter l'efficacité d'une cellule solaire conventionnelle de 20 % à 22 %, une augmentation significative, il a dit.

L'équipe de recherche prévoit de tester la conception sur une cellule solaire fonctionnelle et d'évaluer ses performances dans des conditions réelles.

Contacts cachés

Outre l'or, l'architecture nanopilier fonctionnera également avec des contacts en argent, platine, nickel et autres métaux, a déclaré Ruby Lai, étudiante diplômée et co-auteure.

"Nous les appelons contacts secrets, car le métal se cache dans l'ombre des nanopiliers de silicium, " dit-elle. " Peu importe le type de métal que vous mettez là-dedans. Il sera presque invisible à la lumière entrante."

En plus du silicium, cette nouvelle technologie peut être utilisée avec d'autres matériaux semi-conducteurs pour une variété d'applications, y compris les photocapteurs, diodes électroluminescentes et affichages, piles transparentes, ainsi que des cellules solaires.

"Avec la plupart des appareils optoélectroniques, vous construisez généralement le semi-conducteur et les contacts métalliques séparément, " dit Cui, co-directeur du Department of Energy's Bay Area Photovoltaic Consortium (BAPVC). "Nos résultats suggèrent un nouveau paradigme où ces composants sont conçus et fabriqués ensemble pour créer une interface haute performance."