À la recherche d’une troisième génération de cellules solaires plus performantes

Un avenir radieux : à la recherche d'une troisième génération de cellules solaires plus performantes

Les cellules solaires à porteurs chauds (HCSC) peuvent empêcher la thermalisation de photoporteurs hautement excités comme les paires électron-trou. Ceci est assuré par un processus appelé contacts sélectifs en énergie (ESC), dans lequel ces photoporteurs sont extraits d’un niveau d’énergie spécifique et déplacés dans des vallées entre les niveaux d’énergie. Crédit : Ferry, Whiteside et Sellers, doi 10.1117/1.JPE.12.022204.

Pour une économie plus verte et plus durable, la construction de cellules solaires meilleures et plus puissantes est un objectif de recherche clé dans le secteur de l’énergie propre. Mais, dans une cellule solaire à jonction unique typique, les performances sont plafonnées à ce qu’on appelle la limite Shockley-Queisser (une limite théorique de l’efficacité maximale qu’une cellule solaire peut atteindre). L’efficacité détermine la quantité d’énergie lumineuse (photons) absorbée par la cellule solaire qui peut être convertie en courant électrique utilisable. La limite Shockley-Queisser place l’efficacité maximale possible à 33,7% pour les cellules solaires à base de semi-conducteurs.

Au fil des ans, les scientifiques ont exploré et développé de nouveaux paradigmes pour la conception et les matériaux des cellules solaires, dans le but de se rapprocher et même de dépasser cette limite d’efficacité. Ils n’ont pas encore été couronnés de succès, mais les perspectives s’améliorent grâce aux récentes recherches.

Le mauvais rendement des cellules solaires peut être dû à de nombreux facteurs. L’une des principales raisons est la thermalisation de l’énergie excédentaire. Au cours de cette thermalisation, l’énergie excédentaire absorbée par une paire de particules chargées (électron et trou) – c’est-à-dire plus d’énergie que la particule n’en a besoin pour devenir mobile dans la structure du matériau et générer de l’électricité – est perdue dans la structure en treillis du matériau sous forme de chaleur. . Des études montrent que dans une cellule solaire à semi-conducteur à jonction unique typique, près de 50 % de l’énergie solaire absorbée est perdue à cause de la thermalisation. Si cette énergie pouvait également être captée et convertie en électricité, l’énergie solaire deviendrait une ressource durable extrêmement puissante.

Il y a des décennies, deux scientifiques, RT Ross et AJ Nozik, ont proposé un nouveau type de cellule solaire appelée cellule solaire à porteur chaud (HCSC) dans laquelle cet excès d’énergie pourrait être récolté avant qu’il ne soit perdu. Dans un HCSC, l’idée est d’isoler les particules transportant l’excès d’énergie (porteurs chauds) et de les stocker dans la structure du réseau de manière à ce que l’énergie ne soit pas perdue. Des expériences ultérieures ont prouvé la possibilité d’isoler des porteurs chauds. Mais aucun HCSC opérationnel n’a été construit à ce jour.

Maintenant, un rapport publié dans Journal de la photonique pour l’énergie (JPE)par des chercheurs de l’Arizona State University et de l’Université de l’Oklahoma aux États-Unis, dirigés par David K. Ferry, présente les nombreuses conditions qui doivent être remplies pour qu’un HCSC soit réalisé et explore les moyens de remplir ces conditions.

Selon JPE Rédacteur en chef Sean Shaheen, “L’article élucide une nouvelle voie pour réaliser des cellules solaires porteuses chaudes, qui peuvent dépasser la limite d’efficacité typique des cellules solaires. La voie proposée implique l’utilisation de vallées satellites dans la structure de bande des semi-conducteurs, où la chaleur les porteurs peuvent être stockés temporairement sans perdre d’énergie. Bien qu’il ne fournisse pas une solution complète au problème, il fournit une manière différente de comprendre et de concevoir des cellules solaires à porteur chaud qui pourraient motiver d’autres chercheurs à poursuivre des structures de dispositifs spécifiques basées sur le concept.

Les semi-conducteurs conduisent l’électricité lorsqu’une particule chargée à un niveau d’énergie inférieur, appelé bande de valence, gagne suffisamment d’énergie pour sauter par-dessus un intervalle d’énergie pour atteindre un niveau d’énergie élevé, appelé bande de conduction, où elle est libre de se déplacer. La nouvelle approche proposée consiste à isoler les porteurs chauds dans des vallées d’énergie plus élevées – ou des maxima locaux – parmi les bandes de conduction. Ferry explique : « L’approche photovoltaïque de la vallée aide à réduire la perte de chaleur en transformant l’énergie cinétique de la particule en énergie potentielle, c’est-à-dire en changeant la forme d’énergie d’une qui peut être perdue à une qui est stockée.

Les scientifiques ont pu élucider cette approche dans un matériau semi-conducteur à base d’indium-gallium-arséniure et d’aluminium (InGaAs/InAlAs) sensible à la lumière, et donc un matériau potentiel pour les cellules solaires.

L’article présente les bases essentielles des recherches futures sur l’amélioration de l’efficacité des cellules solaires, ouvrant les portes à une troisième génération potentielle de cellules solaires qui fonctionnent très différemment des cellules existantes et pourraient franchir la limite Shockley-Queisser, réalisant le rêve de Ross et Nozik.

Une économie alimentée par l’énergie solaire est en route, avec un avenir potentiellement meilleur pour nous tous.


Un nouveau record d’efficacité des cellules solaires annonce un brillant avenir pour la technologie solaire


Plus d’information:
David K. Ferry et al, Pathways to hot carrier solar cells, Journal de la photonique pour l’énergie (2022). DOI : 10.1117/1.JPE.12.022204

Citation: A bright future: Seeking a third generation of better-performing solar cells (2022, 5 avril) récupéré le 5 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-bright-future-better-performing-solar- cellules.html

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