Des cellules solaires ultraminces atteignent un rendement record de près de 20%
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 nanostructuré. Grâce à cette nouvelle architecture, un rendement de près de 20% a pu être atteint.
Pour fabriquer une cellule photovoltaïque inorganique en couche mince d'efficacité supérieure ou égale à 20%, il fallait jusqu'à présent au moins 1 micromètre de matériau semiconducteur1 , et même plus de 40 micromètres dans le cas du silicium, 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 et de temps 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 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 de matériau. Grâce au grand nombre 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 du spectre solaire, du visible à l'infrarouge.
Les chercheurs ont fabriqué ce miroir nanostructuré par nanoimpression d'une couche sol-gel de dioxide de titane : 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 à l'extension de ces nouveaux concepts à des cellules solaires à base de matériaux déjà utilisés pour le photovoltaïque : CdTe, CIGS ou silicium.
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 montrant les effets de diffraction du miroir nanostructuré dans l'air (irisations colorées), et favorisant l'absorption dans les cellules solaires ultrafines (carrés noirs).
- 1Arséniure de Gallium (GaAs), Tellurure de Cadmium (CdTe), ou composé chimique CIGS (Cuivre Indium Gallium Sélénium)