12/10/2011 - Cellules photovoltaïques de nanocâbles

Menéame

Une équipe du Laboratoire de Berkeley a mis au point une technique à faible coût pour la fabrication de cellules solaires à nanocables de haute qualité, ce qui pourrait contribuer à réduire les coûts de production des cellules solaires photovoltaïques tout en maintenant leurs niveaux d’efficacité.

Les cellules solaires FV représentent l’une des meilleures technologies pour fournir une source d’énergie entièrement propre et presque inépuisable pour notre civilisation. Cependant, pour que ce rêve devienne réalité, ils doivent être fabriqués avec des éléments bon marché, en utilisant une transformation chimique à faible coût et à moindre intensité énergétique, et ils doivent convertir la lumière solaire en électricité de manière efficace et à un coût compétitif.

Une équipe de chercheurs du Laboratoire National Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) du Département de l’Énergie (DOE) des Etats-Unis a maintenant démontré deux de ces trois exigences, avec un début prometteur pour le troisième d’entre eux.

Peidong Yang, un chimiste de la Division des sciences des matériaux du Laboratoire Berkeley, a dirigé le développement d’une technique pour la fabrication du noyau/structure de cellules solaires à nanocables utilisant des semi-conducteurs de sulfure de cadmium pour le noyau et le sulfure de cuivre pour la structure. Ces cellules sont peu coûteuses et faciles à fabriquer, avec une tension à circuit ouvert et des facteurs de remplissage supérieurs aux cellules solaires classiques plates. Dans l’ensemble, la tension à circuit ouvert et le facteur de remplissage déterminent l’énergie maximale qu’une cellule solaire peut produire. En outre, les nouveaux nanocables ont également démontré un rendement énergétique de 5,4%, comparable à celui des cellules solaires plates.

" C’est la première fois qu’une technique chimique d’échange de chaleur en solution a été utilisée pour produire des nanocâbles monocristallins de sulfure de cadmium, avec un noyau/structure de sulfures de cuivre," explique Yang. "Notre réalisation, associée à l’absorption accrue de la lumière que nous avons montrée précédemment dans les installations de nanocâbles par des pièges à lumière, indique que le noyau/structure des nanocâble est réellement prometteur pour la future technologie des cellules solaires."

Aujourd'hui, les cellules solaires sont généralement faites de feuilles ultrapures en silicium monocristallin, qui nécessitent environ 100 'de l’épaisseur de ce matériau si cher, pour absorber suffisamment de lumière solaire. En outre, le niveau élevé de purification des cristaux exige que même la fabrication de cellules solaires plates plus simples à base de silicium devienne un processus complexe, coûteux, et qui nécessite également une énergie intensive.

Plus fins que les cheveux humains

Une alternative très prometteuse serait les nanocables semi-conducteurs, bandes unidimensionnelles de matériaux dont la largeur mesure seulement un millième d’un cheveu humain mais dont la longueur peut être prolongée jusqu'à l’échelle millimétrique. Les cellules solaires faites de nanocables offrent un certain nombre d’avantages par rapport aux cellules conventionnelles, y compris la meilleure séparation de charge et les meilleures capacités de collecte, en plus qu’elles peuvent être réalisées à partir de matériaux abondants sur Terre. Jusqu'à présent, cependant, la faible efficacité de ces cellules a pesé plus que leurs bénéfices.

" Dans le passé, les cellules solaires de nanocâbles ont montré des facteurs de remplissage et des tensions de circuit ouvert bien inférieurs à celles de leurs homologues plates," dit Yang. "Les raisons possibles de ce faible rendement sont la reCombinaison superficielle et le peu de contrôle de la qualité des liaisons p-n lorsque des processus implantés à haute température sont utilisés."

Dans le cœur de toutes les cellules solaires, il y a deux couches séparées de matériau, l’une avec une grande quantité d’électrons qui fonctionnent comme un pôle négatif, et l’autre avec une grande partie de trous d’électrons (espaces d’énergie à charge positive) qui fonctionnent comme pôle positif. Lorsque les photons du soleil sont absorbés, leur énergie est utilisée pour créer des paires électron-huée, qui sont ensuite séparés dans la liaison p-n (l’interface entre les deux couches) et est recueillie comme électricité.

Les nanocables deviennent des cellules solaires.

Il y a environ un an, travaillant avec le silicium, Yang et les membres de son groupe de recherche ont développé un moyen relativement bon marché pour remplacer les liaisons p-n des cellules solaires plates conventionnelles par une liaison p-n radiale, dans laquelle une couche de silicium de type n, forme une couche autour d’un noyau de nanocables de silicium type p. Cette géométrie transforme effectivement chacun des nanocables individuels en une cellule photovoltaïques et améliore considérablement les capacités de capture de lumière des cellules à couche fine à base de silicium.

Ils ont maintenant mis en œuvre cette stratégie pour la fabrication de nanocâbles noyau/structure à l’aide de sulfure de cadmium et de cuivre, mais cette fois en utilisant une solution chimique. Ces nanocâbles noyau/structure ont été préparés avec une réaction d’échange catyonique en solution (ion négatif), qui a été développée à l’origine par le chimiste Paul Alivisatos et son groupe de recherche pour faire des points quantiques et nanorods (espèces de tiges-nanovarillas). Alivisatos est maintenant le directeur du Laboratoire Berkeley, et Larry et Diane Bock sont professeurs de Nanotechnologie à l’Université de Berkeley en Californie.

" Les nanocables initiaux de sulfure de cadmium ont été synthétisés par le transport de vapeur physique en utilisant un mécanisme vapeur-hydrogène-solide (VLS) au lieu de chimie humide, ce qui nous a donné une meilleure qualité du matériau et une plus grande longueur physique, mais la vérité est qu’il peut également être fait en utilisant un procédé de solution" note Yang. "Les nanocables de sulfure de cadmium qui ont grandi en verre individuel ont un diamètre compris entre 100 et 400 nanomètres et des longueurs allant jusqu'à 50 millimètres."

Les nanocables de sulfure de cadmium ont ensuite été immergés dans une solution de chlorure de cuivre à une température de 50 degrés Celsius de 5 à 10 secondes. La réaction d’échange catalan transforme la couche superficielle de sulfure de cadmium en une carapace de sulfure.

" La réaction d’échange de chaleur en solution nous fournit une méthode de travail facile et peu coûteuse pour la préparation de nanomatériaux hétéro-épitaxial de haute qualité," note Yang. "En outre, elle évite les difficultés de l’implantation à haute température et de la sédimentation pour les méthodes de production typiques de vapeur, ce qui suggère des coûts de fabrication beaucoup plus faibles et une meilleure productibilité. Tout ce dont nous avons besoin, ce sont des verres de précipitations et de matraces pour ce processus en solution. Il n’y a aucun des coûts élevés associés à la fabrication avec la sédimentation de vapeur chimique épitaxiale en phase gazeuse et à l’épitaxie des faisceaux moléculaires, les deux techniques les plus utilisées aujourd'hui pour la fabrication de nanocables semi-conducteurs."

Yang et ses collègues pensent qu’ils peuvent améliorer l’efficacité de conversion énergétique de leurs nanocables des cellules solaires, en augmentant la quantité de matériel de la couche de sulfure de cuivre. Pour que leur technologie soit commercialement viable, ils doivent parvenir à un rendement énergétique d’au moins 10%.

Source d’origine: LBNL News Center

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