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Des cellules photovoltaïques en 3D sont plus efficaces !

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Il ne suffisait pas d'y penser. Au fil de la journée ou des mouvements de son support, une surface courbe récupère mieux l'énergie solaire qu'un plan. Encore faut-il trouver un moyen de créer des structures de petites tailles aux formes idéales. Une équipe américaine vient de le réussir en s'aidant... de gouttes d'eau. Pour l'instant, la trouvaille ne sort pas du labo mais elle est prometteuse.

Trois formes de cellules solaires obtenues par auto-assemblage de feuilles de silicium triangulaire ou rectangulaires. Une fois réalisé le découpage, déterminé par de subtils calculs, une goutte d'eau suffit pour obtenir la forme voulue. © Ralph Nazzo

Pour obtenir le rendement maximum d'une cellule photovoltaïque, il faut l'orienter perpendiculairement aux rayons lumineux. Mais le Soleil bouge (les astronomes prétendent depuis quelques siècles que c'est en fait la Terre qui tourne) et les panneaux solaires ne sont pas toujours posés sur une structure fixe. Certains en installent sur des sacs à dos, des voiliers, des voitures, des planeurs, des ULM et l'équipe du projet Solar Impulse veut même en faire la seule source d'énergie d'un avion tandis que d'autres veulent rendre ces cellules solaires imprimables.

Sur le plan théorique, un capteur courbe devrait atteindre un meilleur rendement. C'est aussi une manière d'augmenter la surface. Si on réalise une demi-sphère par exemple, au lieu d'un plan, on double la surface. Mais les cellules photovoltaïques sont de petites tailles et constituées de matériaux semi-conducteurs qui se prêtent bien la réalisation de surfaces planes. Obtenir des structures courbées n'est pas aisé surtout si l'on se donne des contraintes de coûts. Une question pratique se pose ensuite. Quand bien même y parviendrait-on, quel gain pourrait-on attendre ?

Menée par Ralph Nuzzo, une équipe de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign propose une méthode de fabrication originale et élégante par auto-assemblage, publiée dans les Pnas. Ces chercheurs se servent de minuscules films de silicium qui se plient tout seuls autour de gouttes d'eau pour donner différentes formes.

Les étapes de l'auto-assemblage d'une cellule solaire 3D (cliquer sur l'image pour l'agrandir). Le circuit (un semi-conducteur avec une partie dopée positivement, p+, et une partie dopée négativement, n+) est gravé sur une galette de silicium (SOI wafer), par les techniques classiques de lithogravure, avec ses contacts électriques (Cr/Au, chrome et or). Très fin (ici 2 microns), le composant obtenu est dégagé par une attaque chimique (Etch undercuts), un procédé classique lui aussi, et on dépose une goutte d'eau. L'origami se referme alors comme prévu, en une sphère. En bas, le résultat. Des électrodes sont soudées et les courbes montrent l'intensité obtenue (mAmpères/cm2) en fonction de la tension (voltage). Le résultat est amélioré par la présence d'un réflecteur, sorte de cuvette réfléchissante dans laquelle on dépose cette sphère. © Ralph Nazzo et al. / Pnas

L'équipe est partie d'une galette de silicium et a utilisé les techniques classiques de lithogravure pour graver les composants d'une cellule photovoltaïque. Reste alors à plier cet origami minuscule, de quelques millimètres de côté pour une épaisseur de 1,25 à 2 microns. L'idée est d'utiliser les forces de tension superficielle apparaissant entre ce film et une goutte d'eau, la mince feuille ayant tendance à s'enrouler autour.
Pour obtenir une certaine forme tridimensionnelle, les chercheurs ont, au moment même de la gravure, dessiné le composant selon une géométrie complexe, à la manière d'un cartonnage prédécoupé qui permettra d'obtenir un objet, une boîte par exemple.

Une fois le composant réalisé sur la galette, une goutte d'eau est posée au centre... et le miracle s'accomplit. A mesure que l'eau s'évapore, le film de silicium, comme une fleur qui se refermerait, se replie pour adopter une certaine forme.

Comment prédire l'auto-pliage de formes prédécoupées ?

En fait de miracle, une grande partie de l'astuce consiste à déterminer précisément quel découpage réaliser sur la galette pour obtenir la forme voulue. Le terme d'origami n'est pas usurpé et l'équipe a su mettre au point un modèle mathématique pour prédire cet auto-pliage en tenant compte de l'épaisseur du film, des caractéristiques du silicium et des forces induites par la tension superficielle pendant l'évaporation de l'eau.

Cet outil leur permet désormais, comme en témoignent les photographies publiées dans l'article, d'obtenir une gamme de formes variées. Pour stabiliser leurs minuscules structures, les chercheurs déposent un morceau de verre en leurs centres, fixé par un adésif.

Densité de courant, en milli-ampères par cm2 en fonction de la tension (voltage) obtenu avec une cellule cylindirque avec ou sans rflecteur et avec une cellule plate fabriquée de la même manière. © Ralph Nazzo et al. / Pnas

Quel résultat atteignent-ils avec ce délicat bricolage ? Le rendement annoncé de 1% (rapport entre l'énergie lumineuse incidente et l'énergie électrique produite) a de quoi faire rire un fabricant de cellules photovoltaïques. Mais il ne doit pas être comparé à un produit du commerce car ces prototypes ont été fabriqués à l'aide d'un procédé frustre par rapport aux standards industriels. Selon les auteurs, l'intensité électrique est nettement supérieure à celle obtenue avec des capteurs conçus de la même manière mais plans.

Ce travail reste donc limité au laboratoire pour l'instant mais le principe de base semble validé et les techniques de fabrication, similaires à celle de lithographie utilisée pour les circuits électroniques, rendent l'option tout à fait réaliste.