La lumière du soleil réfléchie par les cellules solaires est perdue sous forme d'énergie inutilisée. Les ailes du papillon Pachliopta aristolochiae sont percés de nanostructures (nanotrous) qui aident à absorber la lumière sur un large spectre bien mieux que les surfaces lisses. Des chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ont maintenant réussi à transférer ces nanostructures dans des cellules solaires et, Donc, améliorant leur taux d'absorption de la lumière jusqu'à 200 pour cent. Les scientifiques rapportent leurs résultats dans la revue Avancées scientifiques .

« Le papillon que nous étudions est d'un noir très foncé. Cela signifie qu'il absorbe parfaitement la lumière du soleil pour une gestion optimale de la chaleur. Plus fascinant encore que son apparence sont les mécanismes qui permettent d'atteindre la haute absorption. Le potentiel d'optimisation lors du transfert de ces structures vers le photovoltaïque (PV ) s'est avéré beaucoup plus élevé que prévu, " déclare le Dr Hendrik Hölscher de l'Institut de technologie des microstructures (IMT) du KIT.

Les scientifiques de l'équipe de Hendrik Hölscher et Radwanul H. Siddique (anciennement KIT, maintenant Caltech) a reproduit les nanostructures du papillon dans la couche absorbante en silicium d'une cellule solaire à couche mince. L'analyse ultérieure de l'absorption de la lumière a donné des résultats prometteurs :par rapport à une surface lisse, le taux d'absorption de la lumière incidente perpendiculaire augmente de 97 % et augmente de façon continue jusqu'à atteindre 207 % sous un angle d'incidence de 50 degrés. "C'est particulièrement intéressant dans les conditions européennes. Fréquemment, nous avons une lumière diffuse qui tombe à peine sur les cellules solaires à un angle vertical, " dit Hendrik Hölscher.

Cependant, cela n'implique pas automatiquement que l'efficacité du système PV complet est améliorée par le même facteur, dit Guillaume Gomard de l'IMT. "D'autres composants jouent également un rôle. Par conséquent, les 200 % doivent être considérés comme une limite théorique pour l'amélioration de l'efficacité. »

Avant de transférer les nanostructures aux cellules solaires, les chercheurs ont déterminé le diamètre et la disposition des nanotrous sur l'aile du papillon au moyen de la microscopie électronique à balayage. Puis, ils ont analysé les taux d'absorption de la lumière pour divers modèles de trous dans une simulation informatique. Ils ont découvert que des trous désordonnés de diamètres variables, tels que ceux trouvés dans le papillon noir, produit les taux d'absorption les plus stables sur tout le spectre à des angles d'incidence variables, en ce qui concerne les nanotrous monodimensionnés disposés périodiquement. D'où, les chercheurs ont introduit des trous positionnés de manière désordonnée dans un absorbeur PV à couche mince, avec des diamètres variant de 133 à 343 nanomètres.

Les scientifiques ont démontré que le rendement lumineux peut être considérablement amélioré en enlevant de la matière. Dans le projet, ils travaillaient avec du silicium amorphe hydrogéné. Selon les chercheurs, cependant, tout type de technologie PV couches minces peut être amélioré avec de telles nanostructures, également à l'échelle industrielle.

Les modules PV à couche mince représentent une alternative économiquement intéressante aux cellules solaires conventionnelles en silicium cristallin, comme la couche absorbant la lumière est plus mince d'un facteur jusqu'à 1000 et, Par conséquent, la consommation de matière est réduite. Toujours, les taux d'absorption des couches minces sont inférieurs à ceux des cellules de silicium cristallin. D'où, ils sont utilisés dans des systèmes nécessitant peu de puissance, comme les calculatrices de poche ou les montres. Une absorption améliorée rendrait les cellules à couche mince beaucoup plus attrayantes pour des applications plus importantes, comme les systèmes photovoltaïques sur les toits.