État excité ! - Une percée dans la technologie des cellules solaires

Dans le passé, les cellules solaires avaient une limite à leur efficacité. Dans une cellule solaire conventionnelle à base de silicium, chaque photon lumineux qui frapperait la surface de la cellule libérerait un électron. Les photons avec une plus grande énergie ne feraient aucune différence car ils ne pourraient pas attirer d'électrons supplémentaires. Les chercheurs ont maintenant mis au point une nouvelle méthode pour obtenir des photons lumineux à haute énergie pour libérer deux électrons au lieu d'un, ce qui ouvre la voie à un nouveau type de cellule solaire avec une plus grande efficacité.

Le rendement théorique le plus élevé possible atteint par les cellules solaires conventionnelles est de 29,1 %. Au cours des dernières années, des chercheurs du MIT et d'autres endroits ont développé une nouvelle méthode pour augmenter l'efficacité des cellules.

Premières démonstrations

Le principe de cette technologie est connu et sa démonstration a déjà été réalisée. Cependant, il a fallu des années pour que cette technologie devienne opérationnelle. Des études antérieures ont démontré la libération de deux électrons à partir d'un photon lumineux pour les cellules photovoltaïques organiques. Cependant, les cellules solaires au silicium sont plus efficaces que les cellules solaires organiques. Lorsque des tests ont été effectués sur une cellule solaire dont la couche supérieure était composée de tétracène, le transfert de deux électrons n'était pas simple. Bien que cette technologie ait été conceptualisée il y a 4 décennies, son aspect pratique devient maintenant une réalité.

Processus d'excitation

La technologie implique l'utilisation d'excitons, qui sont un groupe de matériaux contenant des états excités. Ils permettent la division énergétique d'un photon en deux électrons. Les excitons sont des paquets d'énergie comme des électrons qui se propagent dans un circuit. Cependant, ils ont des propriétés différentes par rapport aux électrons. Dans ce processus, la fission d'exciton singulet est réalisée, où l'énergie lumineuse est divisée en deux paquets d'énergie mobiles indépendants. La cellule solaire au silicium absorbe un photon et forme un exciton, qui subit une réaction de fission pour former deux états excités, où chaque paquet d'énergie possède la moitié de l'énergie de l'état initial.

Résoudre les problèmes

Le couplage de l'énergie obtenue à partir du photon dans le silicium était difficile car il s'agit d'un matériau non excitonique. L'équipe de recherche a tenté de coupler l'énergie de la couche excitonique à de minuscules particules semi-conductrices appelées points quantiques. C'est alors que la percée s'est produite dans la technologie des cellules solaires, où elles étaient à la fois inorganiques et excitoniques. Cela a conduit au développement d'une cellule solaire en silicium plus efficace.

Rôle de la chimie de surface

Les transferts d'énergie sont possibles non pas du fait de la masse du matériau mais du fait de la surface du matériau. L'équipe de recherche a pu obtenir les résultats souhaités en raison de sa concentration sur la chimie de surface du silicium. Cela a aidé à déterminer les états de surface qui y étaient présents. La solution réside dans une fine couche intermédiaire, qui se trouve à l'interface entre la couche de tétracène et la couche de cellule de silicium. Le matériau intermédiaire utilisé est l'oxynitrure d'hafnium, qui a quelques atomes d'épaisseur et sert de pont pour les excitons. Cette nouvelle technologie a fait passer l'efficacité théorique maximale de 29,1 % à 35 %.

Portée

Bien qu'un couplage efficace des deux matériaux ait été réalisé, une optimisation supplémentaire des cellules en silicium est nécessaire pour ce processus. Il est nécessaire que les cellules soient rendues plus minces que les versions actuelles. La stabilisation des matériaux pour la durabilité doit également être travaillée. Il faudrait quelques années pour que le produit soit disponible dans le commerce. D'autres méthodes pour améliorer l'efficacité impliquent l'ajout d'autres types de cellules comme la couche de pérovskite sur le silicium.