Le “dopage au gallium” apporte une solution

La lumière du soleil qui alimente les panneaux solaires les endommage également.  Le

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L’énergie solaire est déjà la forme la moins chère de production d’électricité, et son coût continuera de baisser à mesure que de nouvelles améliorations apparaîtront dans la technologie et sa production mondiale. Aujourd’hui, de nouvelles recherches explorent ce qui pourrait être un autre tournant majeur dans la fabrication de cellules solaires.

En Australie, plus de deux millions de toits sont équipés de panneaux solaires (le plus grand nombre par habitant au monde). Le principal matériau utilisé dans les panneaux est le silicium. Le silicium constitue la plupart des composants d’une cellule solaire nécessaires pour convertir la lumière du soleil en énergie. Mais d’autres éléments sont également nécessaires.

Les recherches de notre groupe à la School of Photovoltaics and Renewable Energy Engineering de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud montrent que l’ajout de gallium au silicium de la cellule peut conduire à des panneaux solaires très stables qui sont beaucoup moins susceptibles de se dégrader au cours de leur durée de vie.

C’est l’objectif à long terme de la prochaine génération de panneaux solaires : qu’ils produisent plus d’électricité sur leur durée de vie, ce qui signifie que l’électricité produite par le système sera moins chère à long terme.

Comme le gallium est de plus en plus utilisé pour y parvenir, nos résultats fournissent des données solides qui pourraient permettre aux fabricants de prendre des décisions qui auront finalement un impact mondial.

Le processus de « dopage » des cellules solaires

Une cellule solaire convertit la lumière du soleil en électricité en utilisant l’énergie de la lumière du soleil pour « briser » les charges négatives, ou électrons, dans le silicium. Les électrons sont ensuite collectés sous forme d’électricité.

Cependant, la lumière qui brille sur un simple morceau de silicium ne génère pas d’électricité, car les électrons libérés par la lumière ne circulent pas tous dans la même direction. Pour faire circuler l’électricité dans une direction, nous devons créer un champ électrique.

Dans les cellules solaires au silicium, le type qui produit actuellement de l’électricité pour des millions de foyers australiens, cela se fait en ajoutant différents atomes d’impuretés au silicium, pour créer une région qui a plus de charges négatives que le silicium normal (silicium de type n) et une région qui a moins de charges négatives (silicium de type p).

Lorsque nous assemblons les deux parties de silicium, nous formons ce qu’on appelle une “jonction pn”. Cela permet à la cellule solaire de fonctionner. Et l’ajout d’atomes d’impuretés dans le silicium est appelé “dopage”.

Un effet secondaire malheureux de la lumière du soleil

L’atome le plus couramment utilisé pour former la partie de type p du silicium, avec moins de charge négative que le silicium ordinaire, est le bore.

Le bore est un excellent atome à utiliser car il possède le nombre exact d’électrons nécessaires à la tâche. Il peut également être distribué de manière très homogène à travers le silicium lors de la fabrication des cristaux de haute pureté nécessaires aux cellules solaires.

Mais dans une tournure cruelle, la lumière brillante sur le silicium rempli de bore peut dégrader la qualité du silicium. Ceci est souvent appelé « dégradation induite par la lumière » et a été un sujet brûlant dans la recherche solaire au cours de la dernière décennie.

La raison de cette dégradation est relativement bien comprise : lorsque nous fabriquons le matériau en silicium pur, nous devons volontairement ajouter des impuretés telles que le bore pour générer le champ électrique qui entraîne l’électricité. Cependant, d’autres atomes indésirables sont également incorporés dans le silicium.

L’un de ces atomes est l’oxygène, qui est incorporé au silicium à partir du creuset, la grande marmite dans laquelle le silicium est raffiné.

Lorsque la lumière éclaire le silicium qui contient à la fois du bore et de l’oxygène, ils se lient, provoquant un défaut qui peut piéger l’électricité et réduire la quantité d’énergie générée par le panneau solaire.

Malheureusement, cela signifie que la lumière du soleil qui alimente les panneaux solaires les endommage également au cours de leur durée de vie. Un élément appelé gallium semble être la solution à ce problème.

Une approche plus intelligente

Le bore n’est pas le seul élément que nous pouvons utiliser pour fabriquer du silicium de type p. Une lecture rapide du tableau périodique montre toute une colonne d’éléments qui ont une charge négative de moins que le silicium.

L’ajout d’un de ces atomes au silicium perturbe l’équilibre entre la charge négative et positive, qui est nécessaire pour créer notre champ électrique. Parmi ces atomes, le plus approprié est le gallium.

Le gallium est un élément très approprié pour fabriquer du silicium de type p. En fait, plusieurs études ont montré qu’il ne se lie pas avec l’oxygène pour provoquer une dégradation. Alors, vous vous demandez peut-être pourquoi nous n’avons pas utilisé de gallium depuis le début ?

Eh bien, la raison pour laquelle nous avons été bloqués en utilisant du bore au lieu du gallium au cours des 20 dernières années est que le processus de dopage du silicium avec du gallium était verrouillé par un brevet. Cela a empêché les fabricants d’utiliser cette approche.

Mais ces brevets ont finalement expiré en mai 2020. Depuis lors, l’industrie est rapidement passée du bore au gallium pour fabriquer du silicium de type p.

En fait, début 2021, le principal fabricant de panneaux photovoltaïques Hanwha Q Cells estimait qu’environ 80 % de tous les panneaux solaires fabriqués en 2021 utilisaient du dopage au gallium plutôt qu’au bore, une transition massive en si peu de temps !

Le gallium améliore-t-il vraiment la stabilité des panneaux solaires ?

Nous avons cherché à savoir si les cellules solaires fabriquées avec du silicium dopé au gallium sont vraiment plus stables que les cellules solaires fabriquées avec du silicium dopé au bore.

Pour le savoir, nous avons fabriqué des cellules solaires en utilisant une conception “à hétérojonction de silicium”, qui est l’approche qui a conduit aux cellules solaires au silicium les plus efficaces à ce jour. Ce travail a été réalisé en collaboration avec Hevel Solar en Russie.

Nous avons mesuré la tension des cellules solaires dopées au bore et au gallium lors d’un test d’imprégnation de lumière pendant 300 000 secondes. La cellule solaire dopée au bore a subi une dégradation importante en raison de la liaison du bore avec l’oxygène.

Pendant ce temps, la cellule solaire dopée au gallium avait une tension beaucoup plus élevée. Notre résultat a également démontré que le silicium de type p fabriqué à partir de gallium est très stable et pourrait aider à débloquer des économies pour ce type de cellule solaire.

Penser qu’il serait possible pour les fabricants de travailler à grande échelle avec du gallium, produisant des cellules solaires à la fois plus stables et potentiellement moins chères, est une perspective extrêmement excitante.

La meilleure partie est que nos conclusions pourraient avoir un impact direct sur l’industrie. Et l’électricité solaire moins chère pour nos maisons signifie également un avenir meilleur pour notre planète.


L’équipe extrait plus d’énergie de la lumière du soleil avec des panneaux solaires avancés


Fourni par La Conversation

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.La conversation

Citation: La lumière du soleil qui alimente les panneaux solaires les endommage également : le « dopage au gallium » apporte une solution (2021, 22 juillet) récupéré le 22 juillet 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-07-sunlight-powers-solar- panneaux-gallium.html

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