Des cellules solaires ultraminces atteignent un rendement record de près de 20%
Publié par Redbran le 13/09/2019 à 14:00
Source: CNRS INSIS
Des chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N), en collaboration notamment avec des chercheurs du Fraunhofer ISE, ont réussi à piéger efficacement la lumière dans une cellule photovoltaïque basée sur une couche absorbante semiconductrice ultramince de seulement 205 nanomètres et un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée,...) nanostructuré. Grâce à cette nouvelle architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.), un rendement de près de 20% a pu être atteint.


© C2N.
A gauche: représentation schématique de la cellule solaire ultrafine en GaAs formée d'un miroir nanostructuré en face arrière.
A droite: photo d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) montrant les effets de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion...) du miroir nanostructuré dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et...) (irisations colorées), et favorisant l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une...) dans les cellules solaires ultrafines (carrés noirs).

Pour fabriquer une cellule photovoltaïque (Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le courant obtenu est un courant...) inorganique en couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé « substrat ». Le but de la couche mince est de donner des propriétés particulières à la surface de la pièce...) d'efficacité supérieure ou égale à 20%, il fallait jusqu'à présent au moins 1 micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) de matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) semiconducteur (1), et même plus de 40 micromètres dans le cas du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), et ce même en laboratoire. Une réduction significative de l'épaisseur de cette couche semiconductrice permettrait de réaliser des économies considérables en termes de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de fabrication. Mais l'amincissement de la couche de semiconducteur implique automatiquement une réduction de l'absorption solaire et donc de l'efficacité de la cellule solaire. Les tentatives pour piéger la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) dans des couches ultraminces sont restées infructueuses jusqu'à présent en raison de trop grandes pertes optiques et électriques.

Des chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies - C2N (CNRS/Université Paris-Saclay), en collaboration notamment avec le Fraunhofer ISE (Allemagne) ont réussi à piéger efficacement la lumière dans une couche ultramince de 205 nanomètres d'arséniure de gallium (GaAs), un composé chimique de la famille des semiconducteurs III-V. L'idée directrice a été de concevoir un miroir nanostructuré sur la face arrière de la cellule solaire afin de créer de multiples résonances optiques qui se recouvrent spectralement. Ces résonances de type Fabry-Pérot ou de modes guidés permettent de contraindre la lumière à cheminer plus longtemps dans la cellule solaire, pour finalement être absorbée malgré la faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) de matériau. Grâce au grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de résonances mises en jeu, l'absorption est ainsi améliorée sur une grande gamme spectrale et permet de capter la lumière solaire efficacement sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) du spectre solaire, du visible à l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible...).

Les chercheurs ont fabriqué ce miroir nanostructuré par nanoimpression d'une couche sol-gel de dioxide de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.): une technique simple, rapide et bas coût, qui peut être appliquée à l'échelle industrielle. Les travaux publiés dans la revue Nature Energy montrent également qu'une efficacité de 25% est un objectif réaliste à court terme. Si les applications commerciales des cellules solaires en GaAs restent encore limitées au domaine spatial à cause de leur coût, les chercheurs travaillent déjà l'extension de ces nouveaux concepts à des cellules solaires à base de matériaux déjà utilisés pour le photovoltaïque: CdTe, CIGS ou silicium.

Notes
(1) - Arséniure de Gallium (GaAs), Tellurure de Cadmium (Le cadmium est un élément chimique de symbole Cd et de numéro atomique 48.) (CdTe), ou composé chimique CIGS (Cuivre Indium Gallium Sélénium)


Contacts chercheurs:
- Andrea Cattoni - C2N - andrea.cattoni at c2n.upsaclay.fr
- Stéphane Collin - C2N - stephane.collin at c2n.upsaclay.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
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