Intégrer des nanofils d’arséniure de gallium (GaAs) au-dessus d’une cellule solaire photovoltaïque pourrait doubler son efficacité pour un prix compétitif. © Jess rodriguez, Adobe Stock
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Cette technologie rend les panneaux solaires 2 fois plus efficaces et beaucoup moins coûteux

ActualitéClassé sous :développement durable , Physique , nanoscience

Alors que les décideurs du monde entier sont réunis à Glasgow pour la COP26 afin de trouver de nouveaux accords sur le climat, les scientifiques continuent de travailler à développer les solutions qui feront du monde de demain, un monde plus efficient. Aujourd'hui, une équipe propose de fabriquer des panneaux solaires photovoltaïques deux fois plus efficaces et moins chers que ceux qui sont actuellement sur le marché.

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[EN VIDÉO] L'énergie solaire pourrait-elle être la principale source d'énergie ?  En 2014, la part du solaire photovoltaïque dans le mix électrique français ne dépassait pas les 1,3 % (chiffre France Territoire Solaire). Comment alors l'énergie solaire pourrait-elle devenir notre principale source d'énergie ? Marion Perrin, docteur en électrochimie, partage avec nous son point de vue sur la question. 

L'arséniure de gallium (GaAs) est un matériau semi-conducteur. Les chercheurs s'y intéressent depuis longtemps. Ils y voient un matériau capable d'augmenter les rendements des cellules solaires photovoltaïques. Grâce à sa capacité à absorber la lumière et à ses caractéristiques électriques particulières. Mais l'arséniure de gallium est cher à mettre en oeuvre. Et de fait aujourd'hui, essentiellement utilisé pour des applications spatiales.

Dans leur quête pour contourner cet inconvénient majeur, des chercheurs de l’université norvégienne de science et technologie proposent aujourd'hui une nouvelle façon de fabriquer les cellules solaires. Leur idée : utiliser le GaAs dans une structure à base de nanofils plutôt qu'en substrat épais. De quoi ne nécessiter d'une petite fraction du matériau normalement utilisé.

Une méthode industrialisable

« Ce qui freine actuellement la technologie de l'arséniure de gallium, c'est le coût de sa fabrication. Pour le minimiser, nous faisons croître une double cellule en tandem : une couche GaAs à nanofils au-dessus et une cellule classique en silicium (Si) en-dessous », explique Helge Weman, professeur au Département des systèmes électroniques, dans un communiqué de l’université norvégienne de science et technologie. Le tout peut être obtenu grâce à un outil déjà disponible dans l'industrie, à savoir, le dépôt en phase vapeur par organométallique (MOCVD).

Selon les chercheurs, l'intégration d'une structure de nanofils de GaAs sur une cellule au Si peut potentiellement améliorer l'efficacité du système de 40 %. De quoi donc doubler l'efficacité des cellules solaires actuellement sur le marché. Pour aller plus loin encore, les chercheurs étudient déjà la croissance de ce type de structure de nanofils légers sur des substrats bidimensionnels atomiquement minces tels que le graphène. Avec dans l'idée de produire des cellules solaires légères et flexibles qui pourraient être utilisées sur des drones auto-alimentés ou des microsatellites.

Pour en savoir plus

Les cellules solaires du futur seront-elles faites de nanofils ?

La limite de Shockley-Queisser des cellules solaires classiques ne permettait pas d'espérer un rendement supérieur à 33,7 %. Mais d'après une récente publication de chercheurs du Niels Bohr Institute de Copenhague et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, ce n'est probablement pas le cas avec des nanofils.

Article de Laurent Sacco paru le 15/04/2013

Freeman Dyson a prophétisé qu'un âge d'or basé sur une énergie solaire abondante et peu coûteuse adviendrait au XXIe siècle. L'histoire lui donnera-t-elle raison ? © Monroem, Wikipédia, cc by sa 3.0

Si l'on pouvait réaliser de la photosynthèse artificielle ou produire de l'hydrogène en utilisant l'énergie du Soleil avec des systèmes performants et à bas coût, cela pourrait contribuer à changer l'histoire de l'humanité au XXIe siècle, selon le scénario imaginé par Freeman Dyson dans son livre Le soleil, le génome et Internet.

La récente publication d'un article dans le journal Nature Photonics, disponible en accès libre sur arxiv, pourrait contribuer à la réalisation des rêves du grand physicien dans un avenir proche. Elle concerne l'efficacité inattendue de cellules solaires constituées de nanofils en arséniure de gallium (GaAs) pour la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Ces nanofils ont un diamètre de l'ordre de 100 nanomètres. Leur taille est comparable à celle d'un virus, et ils sont donc jusqu'à 1.000 fois plus fins qu'un cheveu humain.

Parce que leur diamètre est plus petit ou comparable aux longueurs d'onde de la lumière visible, ils collectent entre 12 et 15 fois plus d'énergie lumineuse qu'une cellule conventionnelle vers ces longueurs d'onde. À tel point que les auteurs de cette découverte, des chercheurs du Nano-Science Center du Niels Bohr Institute de Copenhague et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, espèrent grâce à ces nanofils réaliser des cellules solaires de troisième génération, capables de dépasser la mythique limite de Shockley-Queisser.

Des images de la forêt de nanofils d'arséniure de gallium (GaAs) à l’efficacité de conversion de la lumière solaire en électricité spectaculaire. Elles ont été obtenues à l’aide d’un microscope électronique. © Nano-Science Center, Niels Bohr Institute

Cellules solaires de troisième génération

Rappelons que la limite de Shockley-Queisser a été évaluée la première fois en 1960 par Hans J. Queisser et William Shockley. Ce dernier est colauréat avec John Bardeen et Walter Houser Brattain du prix Nobel de physique en 1956 pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et leur découverte de l'effet transistor. Cette limite concerne l'efficacité de conversion maximale de l'énergie lumineuse du Soleil que l'on peut atteindre avec une jonction p-n en physique des semi-conducteurs. De nos jours, on considère qu'elle vaut 33,7 %, une valeur guère plus élevée que celle obtenue en 1960 par le calcul. Si le coût de fabrication des cellules solaires avec jonction p-n a été divisé environ par 20 depuis les années 1970, l'efficacité de celles qui sont commercialisées plafonne à 20 % dans le meilleur des cas.

Si les chercheurs ont raison, les cellules solaires du futur seront non seulement plus efficaces mais aussi moins chères avec des nanofils. Elles pourraient nécessiter 10.000 fois moins de matière. Bien que le coût de panneaux en nanofils d'arséniure de gallium soit encore de 100.000 dollars par mètre carré, on estime que les prix pourraient chuter à seulement 10 dollars. Bon nombre de dispositifs, comme des téléphones portables ou même des sondes pour exploiter les astéroïdes, pourraient bien être équipés de ce type de cellules solaires.

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