Les cellules solaires ont parcouru un long chemin, mais les cellules solaires à couche mince peu coûteuses sont encore loin derrière les cellules solaires cristallines plus chères en termes d'efficacité. Maintenant, une équipe de chercheurs suggère que l'utilisation de deux films minces de matériaux différents peut être la voie à suivre pour créer des cellules à film mince abordables avec une efficacité d'environ 34%.

"Il y a dix ans, je connaissais très peu les cellules solaires, mais il m'est apparu clairement qu'elles étaient très importantes", a déclaré Akhlesh Lakhtakia, professeur à l'université Evan Pugh et professeur Charles Godfrey Binder en sciences de l'ingénieur et mécanique, Penn State.

En étudiant le domaine, il a découvert que les chercheurs abordaient les cellules solaires de deux côtés, le côté optique - en regardant comment la lumière du soleil est collectée - et le côté électrique - en regardant comment la lumière du soleil collectée est convertie en électricité. Les chercheurs en optique s'efforcent d'optimiser la capture de la lumière, tandis que les chercheurs en électricité s'efforcent d'optimiser la conversion en électricité, les deux côtés simplifiant l'autre.

"J'ai décidé de créer un modèle dans lequel les aspects électriques et optiques seront traités de la même manière", a déclaré Lakhtakia. "Nous devions augmenter l'efficacité réelle, car si l'efficacité d'une cellule est inférieure à 30%, cela ne fera aucune différence." Les chercheurs rapportent leurs résultats dans un récent numéro de Applied Physics Letters.

Lakhtakia est un théoricien. Il ne réalise pas de couches minces en laboratoire, mais crée des modèles mathématiques pour tester les possibilités de configurations et de matériaux afin que d'autres puissent tester les résultats. Le problème, a-t-il dit, était que la structure mathématique de l'optimisation de l'optique et de l'électrique est très différente.

Les cellules solaires semblent être de simples appareils, a-t-il expliqué. Une couche supérieure transparente permet à la lumière du soleil de tomber sur une couche de conversion d'énergie. Le matériau choisi pour convertir l'énergie, absorbe la lumière et produit des flux d'électrons chargés négativement et des trous chargés positivement se déplaçant dans des directions opposées.

Les particules chargées différemment sont transférées vers une couche de contact supérieure et une couche de contact inférieure qui canalisent l'électricité hors de la cellule pour l'utiliser. La quantité d'énergie qu'une cellule peut produire dépend de la quantité de lumière solaire collectée et de la capacité de la couche de conversion. Différents matériaux réagissent et convertissent différentes longueurs d'onde de lumière.

"J'ai réalisé que pour augmenter l'efficacité, nous devions absorber plus de lumière", a déclaré Lakhtakia. "Pour ce faire, nous avons dû rendre la couche absorbante non homogène d'une manière spéciale."

Cette manière particulière consistait à utiliser deux matériaux absorbants différents dans deux films minces différents. Les chercheurs ont choisi le CIGS – diséléniure de cuivre indium gallium – et le CZTSSe – séléniure de cuivre zinc étain soufre – disponibles dans le commerce pour les couches. En soi, l'efficacité de CIGS est d'environ 20% et celle de CZTSSe est d'environ 11%.

Ces deux matériaux fonctionnent dans une cellule solaire car la structure des deux matériaux est la même. Ils ont à peu près la même structure de réseau, de sorte qu'ils peuvent être cultivés les uns sur les autres, et ils absorbent différentes fréquences du spectre afin d'augmenter leur efficacité, selon Lakhtakia.

"C'était incroyable", a déclaré Lakhtakia. "Ensemble, ils ont produit une cellule solaire avec une efficacité 34%. Cela crée une nouvelle architecture de cellule solaire - couche après couche. D'autres qui peuvent réellement fabriquer des cellules solaires peuvent trouver d'autres formulations de couches et peut-être faire mieux.

Selon les chercheurs, la prochaine étape consiste à les créer expérimentalement et à voir quelles sont les options pour obtenir les meilleures réponses finales.