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La cellule solaire prend de la hauteur

Publié le

En piégeant la lumière dans une structure tridimensionnelle, des chercheurs américains augmentent le rendement de la conversion photovoltaïque.

Les entreprises citées

En partenariat avec Industrie Explorer

Une nouvelle géométrie de cellules photovoltaïques, développée par l'institut de recherche de l'université Georgia Tech d'Atlanta, promet à la fois d'augmenter les rendements des photopiles et de réduire leur encombrement, multipliant ainsi la puissance qu'elles peuvent générer par unité de surface. L'innovation de ce système est un tournant. Car la plupart des développements importants dans le photovoltaïque impliquent généralement des combinaisons de matériaux, parfois plutôt exotiques (comme le diséléniure de cuivre-indium-gallium de Global Solar) et pour lesquels les rendements élevés s'accompagnent généralement de l'envolée des coûts de fabrication. Par contraste, la technologie développée par les chercheurs de Georgia Tech - avec le soutien de l'U.S. Air Force, NewCyte et l'IPP - n'est pas limitée à un revêtement photovoltaïque, mais vise à optimiser la capture de la lumière dans une structure tridimensionnelle.


Des gratte-ciel... à l'échelle du nanomètre

L'idée consiste à faire grandir en parallèle, sur un substrat, des millions de nanotubes de carbone assemblés de manière à constituer une grille de « tours » de 100 microns de hauteur et de 40 microns de côté, ressemblant un peu au centre-ville d'une cité américaine. Ces gratte-ciel nanométriques sont eux-mêmes recouverts d'une fine couche de matériau photovoltaïque proprement dit et les tours sont espacées de 10 microns environ. Compte tenu de la structure très dense ainsi réalisée par rapport à sa hauteur, la lumière qui pénètre entre les tours s'y retrouve effectivement piégée. Elle rebondit entre les assemblages de nanotubes au lieu d'être rapidement réfléchie loin de la surface active, comme c'est le cas dans une photopile conventionnelle. L'énergie qui n'est pas immédiatement capturée reste en jeu et peut encore être utilisée pour générer un courant, acheminé à l'intérieur des tours par les nanotubes conducteurs.

Les atouts

  • Encombrement réduit
  • Rendement plus élevé
  • Meilleure densité de surface active
  • Simplicité de fabrication
  • Choix du matériau actif
L'avantage de la photopile 3D est certain. Dans une cellule conventionnelle, les ingénieurs sont en effet confrontés à un casse-tête : plus la couche active est épaisse, plus la lumière est piégée, pour éviter de gaspiller le flux incident par des réflexions trop rapides.Malheu- reusement, plus grande est la probabilité que les électrons censés fournir le courant de la pile se recombinent de manière intempestive avec des trous. Les architectures de piles photovoltaïques planes forcent donc à un compromis peu satisfaisant.

Avec la photopile du Georgia Tech, il est possible d'utiliser exactement l'épaisseur de film photovoltaïque donnant le meilleur résultat, en fonction du matériau utilisé. Un autre avantage du procédé, plus évident, est que la production de courant d'une photopile est directement liée à la surface utile du matériau actif. En passant à une structure 3D, cette surface est sensiblement augmentée par rapport aux dimensions du substrat. Enfin, la nature tridimensionnelle de la cellule la rend moins dépendante d'une orientation précise par rapport au soleil. Pour des applications spatiales, cela se traduit par une simplification et un allégement ; pour des applications terrestres par une meilleure fiabilité et un système de panneaux moins coûteux.

Philippe Deroin

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