Recherche sur les cellules solaires

Il existe actuellement de nombreux groupes de recherche actifs dans le domaine du photovoltaïque dans les universités et les instituts de recherche du monde entier. Cette recherche peut être classée en trois catégories: rendre les cellules solaires de la technologie actuelle moins chères et / ou plus efficaces pour concurrencer efficacement d’autres sources d’énergie; développer de nouvelles technologies basées sur de nouvelles conceptions architecturales de cellules solaires; et mettre au point de nouveaux matériaux pour servir de convertisseurs d’énergie plus efficaces, de l’énergie lumineuse en courant électrique ou absorbeurs de lumière et porteurs de charge.

Traitement du silicium
Une façon de réduire les coûts consiste à mettre au point des méthodes moins coûteuses pour obtenir du silicium suffisamment pur. Le silicium est un élément très commun, mais il est normalement lié à la silice ou au sable de silice. Le traitement de la silice (SiO2) pour produire du silicium est un processus à très haute énergie – à l’efficacité actuelle, il faut un à deux ans pour qu’une cellule solaire conventionnelle génère autant d’énergie que celle utilisée pour fabriquer le silicium qu’elle contient. Des méthodes de synthèse plus efficaces sur le plan énergétique sont non seulement bénéfiques pour l’industrie solaire, mais aussi pour les industries entourant la technologie du silicium dans son ensemble.

La production industrielle actuelle de silicium passe par la réaction entre le carbone (charbon) et la silice à une température d’environ 1700 ° C. Dans ce processus, connu sous le nom de réduction carbothermique, chaque tonne de silicium (qualité métallurgique, environ 98% de pureté) est produite avec l’émission d’environ 1,5 tonne de dioxyde de carbone.

La silice solide peut être directement convertie (réduite) en silicium pur par électrolyse dans un bain de sel fondu à une température relativement douce (800 à 900 ° C). Bien que ce nouveau procédé soit en principe le même que le procédé FFC Cambridge, découvert pour la première fois à la fin de 1996, la découverte intéressante en laboratoire est que ce silicium électrolytique se présente sous la forme de silicium poreux qui se transforme facilement en poudre fine. de quelques micromètres, et peuvent donc offrir de nouvelles possibilités de développement de technologies de cellules solaires.

Une autre approche consiste également à réduire la quantité de silicium utilisée et, par conséquent, son coût consiste à micro-usiner les plaquettes en couches très minces et pratiquement transparentes qui pourraient être utilisées comme revêtements architecturaux transparents. La technique consiste à prendre une plaquette de silicium, généralement de 1 à 2 mm d’épaisseur, et à créer une multitude de coupes transversales parallèles sur la plaquette, créant un grand nombre de lamelles d’une épaisseur de 50 micromètres et d’une largeur égale à l’épaisseur de la plaquette. plaquette d’origine. Ces tranches sont tournées de 90 degrés, de sorte que les surfaces correspondant aux faces de la tranche originale deviennent les bords des rubans. Le résultat est de convertir, par exemple, une plaquette de 150 mm de diamètre et de 2 mm d’épaisseur ayant une surface de silicium exposée d’environ 175 cm2 par côté en environ 1000 rubans ayant des dimensions de 100 mm x 2 mm x 0,1 mm, donnant un total surface de silicium exposée d’environ 2000 cm2 de chaque côté. En conséquence de cette rotation, le dopage électrique et les contacts situés sur la face de la plaquette sont situés sur les bords du ruban plutôt que devant et derrière, comme dans le cas des cellules de plaquettes classiques. Cela a pour effet intéressant de rendre la cellule sensible à la fois à l’avant et à l’arrière de la cellule (propriété connue sous le nom de bifacialité). En utilisant cette technique, une plaquette de silicium suffit à construire un panneau de 140 watts, contre environ 60 plaquettes nécessaires pour les modules classiques de même puissance.

Cellules solaires nanocristallines
Ces structures utilisent certains des mêmes matériaux absorbant la lumière à couche mince, mais sont recouvertes en tant qu’absorbant extrêmement mince sur une matrice de support de polymère conducteur ou d’oxyde métallique mésoporeux ayant une très grande surface pour augmenter les réflexions internes (et donc augmenter la probabilité d’absorption de la lumière). L’utilisation de nanocristaux permet de concevoir des architectures sur l’échelle de longueur des nanomètres, la longueur de diffusion typique des excitons. En particulier, les dispositifs à un seul nanocristal (“canal”), un réseau de jonctions p-n simples entre les électrodes et séparés par une période d’environ une longueur de diffusion, représentent une nouvelle architecture pour les cellules solaires et potentiellement très efficaces.

Traitement en couche mince
Les cellules photovoltaïques à couche mince peuvent utiliser moins de 1% de la matière première coûteuse (silicium ou autres absorbeurs de lumière) par rapport aux cellules solaires à base de wafer, ce qui entraîne une baisse de prix importante par watt de capacité de pointe. De nombreux groupes de recherche à travers le monde étudient activement différentes approches et / ou matériaux en couches minces.

Les couches minces de silicium cristallin sur des substrats de verre constituent une technologie particulièrement prometteuse. Cette technologie combine les avantages du silicium cristallin en tant que matériau de cellule solaire (abondance, non-toxicité, efficacité élevée, stabilité à long terme) avec les économies de coûts liées à l’utilisation d’une approche à couche mince.

Un autre aspect intéressant des cellules solaires à couche mince est la possibilité de déposer les cellules sur tous types de matériaux, y compris les substrats flexibles (PET par exemple), ce qui ouvre une nouvelle dimension aux nouvelles applications.

Cellule solaire métamorphique multijonction
En décembre 2014, l’utilisation de cellules solaires à concentrateur à jonctions multiples, issues des efforts de collaboration de Soitec, CEA-Leti, en France et de Fraunhofer ISE, en Allemagne, a permis d’atteindre le record mondial d’efficacité des cellules solaires à 46%.

Le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a remporté l’un des prix R & D 100 de R & D Magazine pour sa cellule photovoltaïque Metamorphic Multijunction, une cellule ultra-légère et flexible qui convertit l’énergie solaire avec une efficacité record.

La cellule solaire ultralégère et hautement efficace a été développée à NREL et est commercialisée par Emcore Corp. d’Albuquerque, N.M., en partenariat avec la Direction des véhicules spatiaux des Laboratoires de recherche de la Force aérienne à la base aérienne de Kirtland à Albuquerque.

Il représente une nouvelle classe de cellules solaires présentant des avantages évidents en termes de performances, de conception technique, d’exploitation et de coût. Pendant des décennies, les cellules conventionnelles ont présenté des plaquettes de matériaux semi-conducteurs ayant une structure cristalline similaire. Leur performance et leur rentabilité sont limitées par la croissance des cellules dans une configuration verticale. Pendant ce temps, les cellules sont rigides, lourdes et épaisses avec une couche inférieure en germanium.

Dans la nouvelle méthode, la cellule est développée à l’envers. Ces couches utilisent des matériaux à haute énergie avec des cristaux de très haute qualité, en particulier dans les couches supérieures de la cellule où la plus grande partie de la puissance est produite. Toutes les couches ne suivent pas le motif de réseau d’espacement atomique pair. Au lieu de cela, la cellule comprend une gamme complète d’espacement atomique, ce qui permet une plus grande absorption et utilisation de la lumière solaire. La couche de germanium épaisse et rigide est enlevée, réduisant le coût de la cellule et 94% de son poids. En transformant l’approche conventionnelle en cellules, le résultat est une cellule ultra légère et flexible qui convertit également l’énergie solaire avec une efficacité record (concentration de 40,8% sous 326 soleils).

Traitement des polymères
L’invention des polymères conducteurs (pour lesquels Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid et Hideki Shirakawa ont reçu le prix Nobel) pourrait conduire à la mise au point de cellules beaucoup moins chères, basées sur des plastiques bon marché. Cependant, les cellules solaires organiques subissent généralement une dégradation lors de l’exposition à la lumière UV et ont donc des durées de vie trop courtes pour être viables. Les liaisons dans les polymères sont toujours susceptibles de se rompre lorsqu’elles sont rayonnées avec des longueurs d’onde plus courtes. De plus, les systèmes à double liaison conjugués dans les polymères qui portent la charge réagissent plus facilement avec la lumière et l’oxygène. Ainsi, la plupart des polymères conducteurs, hautement insaturés et réactifs, sont très sensibles à l’humidité atmosphérique et à l’oxydation, rendant les applications commerciales difficiles.

Traitement des nanoparticules
Des panneaux solaires expérimentaux sans silicium peuvent être constitués d’hétérostructures quantiques, par ex. des nanotubes de carbone ou des points quantiques, incorporés dans des polymères conducteurs ou des oxydes métalliques mésoporeux. De plus, les films minces de nombre de ces matériaux sur les cellules solaires en silicium classiques peuvent augmenter l’efficacité du couplage optique dans la cellule en silicium, améliorant ainsi l’efficacité globale. En faisant varier la taille des points quantiques, les cellules peuvent être réglées pour absorber différentes longueurs d’onde. Bien que la recherche en soit encore à ses débuts, les systèmes photovoltaïques à points quantiques modifiés peuvent atteindre une efficacité de conversion énergétique pouvant atteindre 42% grâce à la génération de plusieurs excitons (MEG).

Les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen d’utiliser un virus pour améliorer l’efficacité des cellules solaires d’un tiers.

Conducteurs transparents
Beaucoup de nouvelles cellules solaires utilisent des films minces transparents qui sont également des conducteurs de charge électrique. Les couches minces conductrices dominantes utilisées dans la recherche sont maintenant les oxydes conducteurs transparents (en abrégé “TCO”), et comprennent l’oxyde d’étain dopé au fluor (SnO2: F ou “FTO”), oxyde de zinc dopé (par exemple: ZnO: Al). oxyde d’indium et d’étain (en abrégé “ITO”). Ces films conducteurs sont également utilisés dans l’industrie des écrans LCD pour les écrans plats. La double fonction d’un TCO permet à la lumière de traverser une fenêtre de substrat vers le matériau absorbant la lumière actif situé en dessous et sert également de contact ohmique pour transporter les porteurs de charge photogénérés loin de ce matériau absorbant la lumière. Les matériaux TCO actuels sont efficaces pour la recherche, mais ne sont peut-être pas encore optimisés pour la production photovoltaïque à grande échelle. Ils nécessitent des conditions de dépôt très particulières sous vide poussé, ils peuvent parfois souffrir d’une faible résistance mécanique et la plupart ont une faible transmittance dans la partie infrarouge du spectre (par exemple, les films minces ITO peuvent également être utilisés comme filtres infrarouges). Ces facteurs rendent la fabrication à grande échelle plus coûteuse.

Un domaine relativement nouveau a vu le jour en utilisant les réseaux de nanotubes de carbone comme conducteur transparent pour les cellules solaires organiques. Les réseaux de nanotubes sont flexibles et peuvent être déposés sur des surfaces de différentes manières. Avec un certain traitement, les films de nanotubes peuvent être hautement transparents dans l’infrarouge, ce qui peut permettre des cellules solaires à faible bande interdite efficaces. Les réseaux de nanotubes sont des conducteurs de type p, alors que les conducteurs transparents traditionnels sont exclusivement de type n. La disponibilité d’un conducteur transparent de type p pourrait conduire à de nouvelles conceptions de cellules qui simplifient la fabrication et améliorent l’efficacité.

Cellules solaires à base de plaquettes de silicium
Malgré les nombreuses tentatives de fabrication de meilleures cellules solaires à l’aide de matériaux nouveaux et exotiques, le marché photovoltaïque est toujours dominé par les cellules solaires à base de tranches de silicium (cellules solaires de première génération). Cela signifie que la plupart des fabricants de cellules solaires sont actuellement équipés pour produire ce type de cellules solaires. Par conséquent, de nombreuses recherches sont menées dans le monde entier pour fabriquer des cellules solaires à base de plaquettes de silicium à moindre coût et pour augmenter les rendements de conversion sans une augmentation exorbitante des coûts de production. L’objectif ultime des concepts photovoltaïques à la fois basés sur des wafers et alternatifs est de produire de l’électricité solaire à un coût comparable à celui du charbon, du gaz naturel et de l’énergie nucléaire dominants pour en faire la principale source d’énergie primaire. Pour y parvenir, il peut être nécessaire de réduire le coût des systèmes solaires installés d’environ 1,80 USD (pour les technologies de vrac Si) à environ 0,50 USD par watt de puissance maximale. Une grande partie du coût final d’un module de silicium en vrac traditionnel étant liée au coût élevé des matières premières de silicium polycristallin de qualité solaire (environ 0,4 USD / watt crête), cellules solaires à partir de silicium métallurgique amélioré moins cher (appelé “Si sale”).

IBM a mis au point un procédé de récupération de plaquettes de semi-conducteurs qui utilise une technique de suppression de formes spécialisée pour réutiliser les plaquettes de semi-conducteurs de ferraille sous une forme utilisée pour fabriquer des panneaux solaires à base de silicium. Le nouveau processus a récemment reçu le «prix 2007 de prévention de la pollution le plus précieux» de la table ronde nationale sur la prévention de la pollution.

Cellules solaires infrarouges
Des chercheurs du laboratoire national de l’Idaho, ainsi que des partenaires de Lightwave Power Inc. à Cambridge, MA et Patrick Pinhero de l’Université du Missouri, ont conçu un moyen peu coûteux de produire des feuilles de plastique contenant des milliards de nano-antennes sources, qui ont remporté deux prix Nano50 2007. La société a cessé ses activités en 2010. Bien que les méthodes pour convertir l’énergie en électricité utilisable doivent encore être développées, les feuilles pourraient un jour être fabriquées comme des «peaux» légères, allant des voitures hybrides aux ordinateurs et aux iPod cellules. Les nanoantennas ciblent les rayons infrarouges moyens, que la Terre rayonne en permanence sous forme de chaleur après avoir absorbé l’énergie du soleil pendant la journée; De plus, les feuilles de nanoantenna à double face peuvent capter l’énergie de différentes parties du spectre du soleil. En revanche, les cellules solaires traditionnelles ne peuvent utiliser que la lumière visible, ce qui les rend inactives après la tombée de la nuit.

Cellules solaires UV
L’Institut national japonais des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) a réussi à mettre au point une cellule solaire transparente qui utilise la lumière ultraviolette (UV) pour générer de l’électricité, mais laisse passer la lumière visible. La plupart des cellules solaires conventionnelles utilisent la lumière visible et infrarouge pour générer de l’électricité. Utilisée pour remplacer les vitres conventionnelles, la surface d’installation pourrait être importante, ce qui conduirait à des utilisations potentielles tirant parti des fonctions combinées de production d’énergie, d’éclairage et de contrôle de la température.

Ce système transparent absorbant les UV a été réalisé en utilisant une hétérostructure organique-inorganique constituée du film semi-conducteur PEDOT: PSS de type p déposé sur un substrat en titanate de strontium dopé au Nb. PEDOT: Le PSS est facilement fabriqué en couches minces en raison de sa stabilité dans l’air et de sa solubilité dans l’eau. Ces cellules solaires ne sont activées que dans la région UV et donnent un rendement quantique relativement élevé de 16% d’électrons / photons. Les travaux futurs dans cette technologie consistent à remplacer le substrat de titanate de strontium par un film de titanate de strontium déposé sur un substrat de verre afin de réaliser une fabrication à grande surface et à faible coût.

Depuis lors, d’autres méthodes ont été découvertes pour inclure les longueurs d’ondes UV dans la production d’énergie par cellules solaires. Certaines entreprises déclarent utiliser des nano-phosphores comme revêtement transparent pour transformer la lumière UV en lumière visible. D’autres ont signalé l’extension de la plage d’absorption des cellules photovoltaïques à simple jonction en dopant un semi-conducteur transparent à large bande interdite tel que GaN avec un métal de transition tel que le manganèse.

Recherche de cellules solaires flexibles
La recherche sur les cellules solaires flexibles est une technologie de recherche, dont un exemple a été créé au Massachusetts Institute of Technology, dans lequel des cellules photovoltaïques sont déposées en déposant des matériaux photovoltaïques sur des substrats flexibles tels que le papier ordinaire. La technologie de fabrication de cellules solaires sur papier a été développée par un groupe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology, avec le soutien de la National Science Foundation et du programme Eni-MIT Alliance Solar Frontiers.

Cellules solaires 3D
Des cellules solaires tridimensionnelles qui capturent la quasi-totalité de la lumière qui les frappe et pourraient améliorer l’efficacité des systèmes photovoltaïques tout en réduisant leur taille, leur poids et leur complexité mécanique. Les nouvelles cellules solaires 3D, créées au Georgia Tech Research Institute, capturent les photons de la lumière du soleil à l’aide d’un ensemble de structures miniatures «en forme de tour» qui ressemblent à des immeubles de grande hauteur dans un réseau urbain. Solar3D, Inc. prévoit de commercialiser de telles cellules 3D, mais sa technologie est actuellement en instance de brevet.

Concentrateur solaire luminescent
Les concentrateurs solaires luminescents convertissent la lumière du soleil ou d’autres sources de lumière en fréquences préférées; ils concentrent la production pour la conversion en formes de puissance souhaitables, telles que l’électricité. Ils reposent sur la luminescence, généralement la fluorescence, dans des milieux tels que des liquides, des verres ou des matières plastiques traitées avec un revêtement ou un dopant approprié. Les structures sont configurées pour diriger la sortie d’une grande zone d’entrée vers un petit convertisseur, où l’énergie concentrée génère de la photoélectricité. L’objectif est de collecter la lumière sur une grande surface à faible coût; Les panneaux concentrateurs luminescents peuvent être fabriqués à peu de frais à partir de matériaux tels que des verres ou des plastiques, tandis que les cellules photovoltaïques sont des dispositifs de haute précision et de haute technologie, et par conséquent coûteux à construire en grandes tailles.

Des recherches sont en cours dans des universités telles que l’Université Radboud de Nijmegen et l’Université de technologie de Delft. Par exemple, au Massachusetts Institute of Technology, des chercheurs ont mis au point des méthodes de conversion de fenêtres en concentrateurs de lumière solaire pour la production d’électricité. Ils peignent un mélange de colorants sur une plaque de verre ou de plastique. Les colorants absorbent la lumière du soleil et la réémettent sous forme de fluorescence dans le verre, où ils sont confinés par réflexion interne, émergeant sur les bords du verre, où ils rencontrent des cellules solaires optimisées pour la conversion de cette lumière solaire concentrée. Le facteur de concentration est d’environ 40 et la conception optique produit un concentrateur solaire qui, contrairement aux concentrateurs à base de lentilles, n’a pas besoin d’être dirigé avec précision au soleil et peut produire une sortie même à partir d’une lumière diffuse. Covalent Solar travaille sur la commercialisation du processus.

Métamatériaux
Les métamatériaux sont des matériaux hétérogènes utilisant la juxtaposition de nombreux éléments microscopiques, donnant naissance à des propriétés que l’on ne voit pas dans les solides ordinaires. En les utilisant, il peut devenir possible de fabriquer des cellules solaires qui sont d’excellents absorbeurs sur une gamme étroite de longueurs d’onde. Une absorption élevée dans le régime hyperfréquence a été démontrée, mais pas encore dans le régime de longueur d’onde 300-1100 nm.

Photovoltaïque hybride thermique
Certains systèmes associent le photovoltaïque au solaire thermique, avec l’avantage que la partie solaire thermique emporte la chaleur et refroidit les cellules photovoltaïques. Le maintien de la température abaisse la résistance et améliore l’efficacité de la cellule.

Photovoltaïque à base de Penta
Les systèmes photovoltaïques à base de pentacène sont censés améliorer le taux d’efficacité énergétique jusqu’à 95%, doublant ainsi l’efficacité des techniques les plus efficaces.

Groupe intermédiaire
Le photovoltaïque à bande intermédiaire dans la recherche sur les cellules solaires fournit des méthodes permettant de dépasser la limite de Shockley – Queisser quant à l’efficacité d’une cellule. Il introduit un niveau d’énergie de bande intermédiaire (IB) entre les bandes de valence et de conduction. Théoriquement, l’introduction d’un IB permet à deux photons d’énergie inférieure à la bande interdite d’exciter un électron de la bande de valence vers la bande de conduction. Cela augmente le photocourant induit et donc l’efficacité.

Luque et Marti ont d’abord établi une limite théorique pour un appareil IB avec un niveau d’énergie de la hauteur moyenne en utilisant l’équilibre détaillé. Ils ont supposé qu’aucun transporteur n’avait été collecté à l’IB et que l’appareil était en pleine concentration. Ils ont trouvé que l’efficacité maximale était de 63,2%, pour une bande interdite de 1,95eV avec l’IB 0.71eV provenant de la bande de valence ou de conduction. Sous un éclairage solaire, l’efficacité limite est de 47%.