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Les cellules solaires CdTe sont la deuxième technologie photovoltaïque la plus courante après les cellules solaires au silicium. En 2022, ils représentaient environ un tiers du marché américain de l’énergie solaire à grande échelle. Les cellules solaires CdTe reposent sur un film mince de matériau pour absorber la lumière et la convertir en électricité. Crédit : Dennis Schroeder, NREL
Depuis plus de trois décennies, les chercheurs en photovoltaïque savent que l’ajout d’un seul produit chimique, le chlorure de cadmium, crée des cellules solaires au tellurure de cadmium (CdTe) plus performantes. Mais ils n’ont pas compris exactement pourquoi, jusqu’à présent. La réponse a des implications pour la science des matériaux qui vont bien au-delà des cellules solaires.
Les couches absorbant la lumière des cellules solaires CdTe sont composées d’un mince film de matériau, environ 10 à 100 fois plus fin qu’un cheveu humain. De nombreux appareils modernes, des cellules solaires aux matériaux catalytiques en passant par les téléviseurs à diodes électroluminescentes organiques, reposent sur des matériaux à couches minces. Les surfaces sur lesquelles ces couches minces se rencontrent, ou s’interfacent, sont encore plus fines (100 000 fois plus fines qu’un cheveu humain) et jouent un rôle crucial dans les fonctions des appareils. Une meilleure compréhension des interfaces à couches minces pourrait améliorer la façon dont nous fabriquons de nombreux matériaux différents, mais la structure précise des interfaces à l’échelle atomique est souvent difficile à étudier.
Un coup de pouce prouvé, mais inexpliqué, pour les cellules solaires
Dans les cellules solaires CdTe, les charges électriques créées par un photon absorbé peuvent être piégées et perdues aux interfaces entre la couche absorbant la lumière et les couches qui transportent ces charges dans les circuits électriques. Dès les années 1980, les chercheurs de CdTe ont réalisé que traiter les interfaces de la cellule solaire avec une petite quantité de chlorure de cadmium (CdCl2) pourrait réduire la perte de charges aux interfaces et améliorer l’efficacité de conversion de puissance de la cellule solaire.
Clairement, l’ajout de CdCl2 changé l’interface d’une manière cruciale. Mais d’autres expériences n’ont pas pu résoudre la structure de l’interface jusqu’au niveau atomique pour expliquer pourquoi le CdCl2 le traitement a été si efficace. Ce défi n’est pas propre aux cellules solaires CdTe. Les interfaces sont notoirement difficiles à étudier et à comprendre au niveau atomique, en particulier dans les cas d’interfaces non idéales entre des matériaux ayant des structures cristallines différentes.
Les chercheurs ont déterminé l’arrangement le plus stable des atomes de cadmium et de chlore à l’interface des cristaux d’oxyde d’étain (SnO2) et de CdTe grâce à un algorithme de prédiction de structure. L’algorithme a généré des arrangements aléatoires initiaux d’atomes à l’interface (à gauche), puis a mis à jour ces arrangements plusieurs fois et leur a permis de se détendre jusqu’à leur arrangement le plus stable (à droite). Cela a révélé que CdCl2 dans l’interface suppose un arrangement unique que l’on ne trouve pas dans les cristaux plus gros du matériau. Cette structure atomique spécifique à l’interface explique comment le CdCl2 traitement améliore les performances des cellules solaires CdTe. Crédit: Examens de physique appliquée (2022). DOI : 10.1063/5.0104008
La modélisation offre de nouvelles perspectives sur les interfaces
Une nouvelle approche d’une équipe de chercheurs et de collègues du National Renewable Energy Laboratory (NREL) de l’Université de Khalifa, de la Bowling Green State University et de First Solar, un fabricant américain de panneaux solaires CdTe, a dévoilé les détails du CdCl2 traitement des interfaces. En modélisant le comportement d’atomes et d’électrons individuels, l’équipe a simulé des arrangements possibles pour CdCl2-interfaces traitées.
Pour calculer la structure électronique d’une cellule solaire CdTe – et ainsi déterminer sa collecte de charge – les chercheurs devaient d’abord déterminer l’arrangement atomique CdCl2 interface, ce qui n’avait jamais été fait auparavant pour les cellules solaires CdTe. Pour y parvenir, l’équipe a implémenté un algorithme de prédiction de structure pour les interfaces. L’algorithme a commencé par un arrangement aléatoire d’atomes, puis leur a permis de se déposer, en utilisant une méthode appelée théorie de la fonctionnelle de la densité pour calculer les forces atomiques. L’algorithme a apporté à plusieurs reprises des changements petits mais réalistes aux positions des atomes à l’interface, ce qui a permis à l’équipe d’identifier les structures à plus faible énergie (les plus stables).
Le travail est publié dans la revue Examens de physique appliquée.
Plus d’information:
Abhishek Sharan et al, la phase intercouche atomiquement mince des premiers principes permet une interface SnO2/CdTe incommensurable sans défaut, Examens de physique appliquée (2022). DOI : 10.1063/5.0104008
Fourni par Laboratoire national des énergies renouvelables
Citation: Mécanisme de traitement des cellules solaires utilisées depuis longtemps expliqué par une structure cristalline inattendue (2023, 22 février) récupéré le 22 février 2023 sur https://techxplore.com/news/2023-02-mechanism-long-used-solar-cell-treatment .html
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