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Des cellules photovoltaïques plus minces et moins chères

Les chercheurs sont sur le point de réaliser une percée majeure dans le domaine des cellules solaires qui pourrait prendre la forme d'une captation des photons lumineux bien supérieure aux limites acceptées actuellement pour les cellules solaires conventionnelles.
Des cellules photovoltaïques plus minces et moins chères
Les cellules solaires à base de plaques particulièrement coûteuses de silicium (Si) monocristallin représentent la majorité des dispositifs vendus actuellement. Les cellules photovoltaïques en Si sur film mince permettent de réduire significativement les coûts mais leur rendement est similaire voire inférieur à la moyenne. Les nouvelles technologies en préparation visent des rendements bien supérieurs mais à des coûts bien moindres afin d'encourager leur adoption à plus grande échelle.

Les partenaires du projet PHOTONVOLTAICS (Nanophotonics for ultra-thin crystalline silicon photovoltaics) voulaient justement permettre le développement de ces nouvelles technologies. La nano-texture, qui devrait améliorer les propriétés optiques des cellules bien au-delà des limites actuelles fait partie de ces nouvelles technologies.

Plusieurs techniques de lithographie comme la nano-impression, la lithographie colloïdale HCL et la lithographie par interférence laser ont fait l'objet d'études afin d'évaluer leur capacité d'intégration de ces nanostructures spéciales dans des cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin (Si-c). Le volume de silicium nécessaire s'est révélé bien moindre à l'instar des coûts, les techniques de lithographie ayant justement été sélectionnées en raison de leur potentiel de coût.

En tant que projet à haut-risque de technologies futures et émergentes (FET), PHOTONVOLTAICS s'est fixé des objectifs très ambitieux. Les chercheurs veulent prouver que les nanostructures vont bien au-delà des textures aléatoires standard puisqu'elles autorisent une absorption de la lumière bien supérieure aux limites conventionnelles.

Dans le même temps, les chercheurs ont tenté d'obtenir la meilleure amélioration de courant de court-circuit jamais obtenue en utilisant un Si-c d'une épaisseur inférieure à 40 μm. Il s'agissait donc d'améliorer l'absorption de lumière par les plaques Si-c et de convertir cette lumière en un courant effectif dans la cellule, le tout sans porter atteinte à ses propriétés électriques.

Le projet a débouché sur le développement d'un ensemble performant d'outils permettant la modélisation réaliste de cellules solaires de structures très variées. Il a également élaboré les lignes directrices pour une intégration efficace de ces textures nanophotoniques dans les cellules solaires Si-c à couche mince.

Les partenaires du projet ont validé cette technologie en développant des cellules ultra-minces présentant des densités de courant optimisées sans perte de leurs propriétés electriques. Ces cellules ont démontré une efficacité de conversion énergétique près de deux fois supérieure à celle des cellules conventionnelles.

Les chercheurs ont par ailleurs évalué les propriétés optiques et électriques de toute une gamme de nanostructures réalisées à partir des trois techniques de lithographie sélectionnées. Ces travaux ont ainsi permis aux scientifiques d'identifier les conditions les plus prometteuses pour l'intégration des cellules.

Ces résultats permettront à l'UE d'occuper une position dominante dans ces technologies innovantes, que ce soit en matière d'énergie ou dans le domaine de la production rentable de surfaces nanostructurées en général.

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Mots-clés

Photovoltaïque, cellule solaire, captation de la lumière, silicium, couche mince, PHOTONVOLTAICS, lithographie