Le silicium noir pourrait accroître l’efficacité des cellules solaires traditionnelles

Des chercheurs de l’Institut des télécommunications Fraunhofer ont développé un système qui permet aux cellules solaires d’exploiter l’énergie du spectre infrarouge de manière plus efficace en puisant dans une source d’énergie qui dans le passé a été la plupart du temps hors de portée. Cette nouvelle technologie qui promet d’être compatible avec des cellules solaires disponibles sur le marché, a le potentiel pour devenir un standard dans les panneaux solaires du futur.

Lorsque les photons frappent la surface d’une cellule solaire, l’énergie qu’ils transportent peut être absorbée par un semi-conducteur. Si l’énergie absorbée est supérieure à un seuil fixé, que l’on appelle la bande interdite, et en fonction du semi-conducteur utilisé, les électrons sont libérés par le semi-conducteur et peuvent être utilisés pour générer un courant électrique.

L’énergie transportée par un photon est proportionnelle à sa fréquence. Dans les cellules solaires en silicium, les photons dans l’infrarouge ne portent pas assez d’énergie pour produire de l’électricité et de la lumière infrarouge passe simplement à travers la cellule sans être utilisé. Les photons rouges transportent suffisamment d’énergie pour arracher un électron libre et les photons dans le spectre bleu ou au-delà (Lumière UV) transportent trop d’énergie dont une partie de celle-ci est utilisée pour libérer un électron unique et le reste est perdu sous forme de chaleur. L’incapacité d’extraire complètement l’énergie transportée par un photon est la principale raison pour laquelle les cellules solaires sont si inefficaces.

Au cours des dernières années, les chercheurs ont produit des cellules solaires qui peuvent absorber la lumière infrarouge et ultraviolette de manière plus efficace. Maintenant, les chercheurs de l’Institut Fraunhofer ont mis au point un moyen simple de capturer plus d’énergie à partir du spectre infrarouge en développant une technique qui pourrait très bien devenir une technologie standard dans la cellule solaire dans un avenir proche.

La recherche est basée sur l’absorption de la lumière infrarouge à l’aide de ce qu’on appelle du silicium noir. Ce matériau est fabriqué à l’aide de lasers de précision qui “zappent” les atomes de soufre dans le réseau de silicium en utilisant des motifs bien définis.

Le soufre réduit le déficit énergétique et permet donc une plus faible dissipation énergétique des photons aux électrons libres du semi-conducteur. En théorie, cela devrait accroître l’efficacité de la cellule solaire. Mais malheureusement, la petite “bande interdite” rend également le voyage plus facile des électrons dans la direction opposée; ce qui provoque une fois de plus une perte d’électricité.

Les chercheurs de l’institut Fraunhofer se sont attaqués à ce problème et ont trouvé une solution conceptuellement simple mais ingénieux. Ils ont choisi de changer les motifs des impulsions laser qui animent les atomes de soufre dans le réseau de silicium et modifiant ainsi leur conformation afin de maximiser le nombre d’électrons qui peuvent dépasser le seuil de la bande interdite et devenir conducteur. Tout en minimisant le nombre d’électrons qui peuvent revenir en sens opposés.

Des prototypes de cellules ont montré que le mécanisme peut doubler l’efficacité de silicium noir, mais les recherches se poursuivent pour identifier la configuration des atomes de soufre qui peuvent aboutir à la meilleure performance.

La prochaine étape consistera à intégrer les cellules dans la technologie commerciale déjà existante et la bonne nouvelle c’est que les deux sont compatibles et semblent se compléter les uns les autres. Il suffit de retirer le couvercle du dos d’une cellule solaire traditionnelle et incorporer une couche de silicium noir. L’équipe a constaté qu’elles peuvent accroître l’efficacité de ces panneaux d’environ un pour cent.

Les chercheurs prévoient maintenant de commercialiser un système laser que les fabricants peuvent utiliser pour produire le silicium noir eux-mêmes et l’inclure dans leurs produits en tant que norme.

Source: Fraunhofer