Réduire le bruit pour de meilleures cellules solaires

Réduire le bruit pour de meilleures cellules solaires

Un schéma de dessin animé d’une cellule solaire à hétérojonction en silicium et de ses charges photo-générées. Les chiffres correspondent à trois des principaux signaux de bruit électrique identifiés par les chercheurs dans l’étude. Ces signaux de bruit se produisent lorsque 1) des électrons et 3) des trous traversent les couches et 2) lorsque des charges sont piégées à la frontière entre le silicium et la couche transparente d’ITO à l’avant du dispositif. Crédit : Kevin Davenport

Alors que la société évolue vers un avenir énergétique renouvelable, il est crucial que les panneaux solaires convertissent la lumière en électricité aussi efficacement que possible. Certaines cellules solaires à la pointe de la technologie sont proches du maximum théorique d’efficacité – et des physiciens de l’Université de l’Utah et de Helmholtz-Zentrum Berlin ont trouvé un moyen de les rendre encore meilleures.

Dans une nouvelle étude, les physiciens ont utilisé une technique connue sous le nom de spectroscopie de bruit de corrélation croisée pour mesurer les fluctuations minuscules du courant électrique circulant entre les matériaux à l’intérieur des cellules solaires en silicium. Les chercheurs ont identifié des signaux de bruit électrique cruciaux qui sont complètement invisibles pour les méthodes conventionnelles de mesure du bruit. Ils ont également pu identifier les processus physiques probables à l’origine du bruit, qui entraîne souvent une perte d’énergie et une efficacité moindre.

« Mesurer le bruit sur un objet est relativement simple. Vous pouvez simplement acheter des appareils qui le font. Mais le problème qui nous afflige, c’est que ces appareils ont aussi du bruit », a déclaré Kevin Davenport, instructeur associé de physique à l’U et auteur principal du papier. « Cette technique de corrélation croisée nous permet non seulement de mesurer le bruit de l’appareil, mais également de mesurer le bruit de notre détecteur et de le supprimer afin que nous puissions voir des signaux de bruit beaucoup, beaucoup plus petits. »

La technique, qui a été publiée le 24 juin dans la revue Rapports scientifiques, est un nouvel outil important pour améliorer les interfaces matérielles pour une meilleure cellule solaire, ou pour analyser les inefficacités dans d’autres dispositifs compliqués.

« Il est surprenant de voir à quel point les petites améliorations de l’efficacité sont importantes pour l’industrie. Une fraction d’un pour cent d’amélioration se traduit par des milliards de dollars en raison de l’échelle de production », a déclaré le co-auteur Klaus Lips, professeur de physique à la Freie Universität Berlin et chef de département. à Helmholtz-Zentrum Berlin où les cellules solaires ont été conçues et fabriquées.

« Dans le passé, nous avons utilisé la technique de corrélation croisée pour étudier des diodes électroluminescentes de qualité recherche assez simples, mais les avantages de la méthode ont vraiment été mis en lumière dans ce travail », a déclaré Andrey Rogachev, professeur de physique à l’U et co-auteur de l’étude. « Et cela va au-delà de l’industrie solaire. Dans tout appareil comportant de nombreuses couches, chaque interface entre les matériaux peut diminuer l’efficacité d’une manière ou d’une autre. C’est tellement compliqué, il faut être vraiment discret pour pouvoir dire ce qui se passe et, plus important encore, où le bruit particulier se produit. Il s’avère que cette technique nous permet de faire exactement cela. « 

Comme cela arrive souvent dans la recherche moderne, une seule méthode ne suffisait pas pour comprendre les appareils complexes. L’interprétation de la date du bruit a été fortement aidée par les simulations de cellules solaires réalisées par CT Trinh, chercheur postdoctoral à Helmholtz-Zentrum Berlin et co-auteur de l’étude. Le co-auteur final est Mark Hayward, alors chercheur de premier cycle à l’U et maintenant étudiant diplômé à l’Université de Californie, Irvine.

Analyser le bruit

L’étude a analysé les cellules solaires à hétérojonction au silicium (HSC), un type haut de gamme de cellules solaires monomatériau et actuellement la plus efficace de son genre sur le marché : 26,7 % de la lumière qui frappe la cellule est convertie en électricité. En revanche, les cellules qui composent les panneaux solaires d’une maison d’habitation ont un rendement compris entre 15 % et 20 %.

Dans un HSC, la production d’électricité commence lorsque des particules individuelles de lumière appelées photons sont absorbées par la couche photo-active en silicium cristallin et créent des paires d’électrons chargés négativement et de trous chargés positivement, qui sont des charges causées par des électrons manquants. Les électrons et les trous sont alors attirés dans des directions opposées par un champ électrique créé par deux contacts sélectifs en silicium amorphe hydrogéné modifié avec des impuretés. Ce processus produit du courant que nous utilisons comme électricité. Le problème est que l’électrode sélective et le silicium photo-actif ne correspondent pas parfaitement, créant des défauts qui piègent les électrons. Pour éliminer ces défauts dans les cellules solaires de qualité recherche comme celles de l’étude, les scientifiques placent entre elles une couche ultrafine de silicium amorphe pur. Enfin, toutes ces cinq couches sont prises en sandwich entre deux couches de matériau conducteur transparent, appelé ITO, et des électrodes en or.

L’efficacité des HSC dépend de la manière dont les différentes couches sont connectées entre elles. Un léger décalage entre deux couches peut rendre difficile pour les électrons d’aller là où ils doivent aller, un problème qui produira un signal de bruit.

« Ce problème est en quelque sorte caché à l’intérieur de ces interfaces, et il est vraiment difficile de détecter n’importe quel type de signal. Mais la technique de bruit que nous utilisons est très sensible aux très, très petits signaux individuels », a déclaré Davenport. C’est comme écouter une note jouée par différents instruments, a-t-il poursuivi. Une note C sur un violon est la même qu’une note C sur un violoncelle, mais elles sonnent différemment. Si vous deviez analyser cette note, vous pouvez extraire des informations pour apprendre quelque chose sur l’instrument qui l’a produite, comme la longueur ou le matériau des cordes.

« Nous faisons quelque chose de similaire à cela. Nous voyons ce large spectre de différents signaux de bruit et de différentes positions le long de l’axe des fréquences. Nous pouvons dire: » OK, cette partie de la note que nous voyons, nous pouvons l’attribuer à ce processus physique et cela partie est un processus physique différent », a déclaré Davenport. « Mais l’appareil est plein de ces processus qui génèrent tous du bruit et il est vraiment difficile de les démêler, comme retirer une seule voix dans un chœur de 200 personnes. Cette technique nous permet de supprimer une grande partie de la partie indésirable du signal. »

Cartographie des inefficacités

Les HSC silicium sont excellents tels quels, mais ils ont encore des limites. La nouvelle technique de l’équipe de recherche a identifié des zones clés de l’appareil où des processus physiques spécifiques produisent des signaux électriques. À l’avenir, de petits ajustements à ces étapes pourraient améliorer l’efficacité de ces cellules et des cellules solaires du futur. Après avoir passé au crible la cacophonie électrique pour découvrir les signaux pertinents, les physiciens ont effectué une simulation pour identifier les processus physiques qui se produisaient à l’emplacement du signal.

La prochaine génération de cellules solaires est connue sous le nom de cellules tandem, qui sont des empilements de différents matériaux photovoltaïques qui sont chacun sensibles à une partie différente de la lumière du soleil, ce qui donne à un tel appareil la capacité de générer plus d’énergie. Une couche de dispositif proposée est le matériau pérovskite hot-ticket.

« Ensemble, la nouvelle cellule solaire peut franchir à elle seule la limite du dispositif au silicium, au-delà de 30% d’efficacité », a déclaré Lips.

À cette limite d’efficacité, les petites pertes comptent. Une telle perte a été observée par les scientifiques des matériaux ; le dépôt de l’ITO transparent modifie en quelque sorte les couches de silicium sous-jacentes, créant des défauts qui réduisent l’efficacité du dispositif. L’un des principaux signaux de bruit électrique que les chercheurs ont identifié dans cette étude se trouvait à cette interface, où les charges sont piégées et libérées. Un autre signal majeur s’est produit lorsque des trous ont traversé une barrière similaire à l’arrière de l’appareil.

« La capacité de détecter ces signaux signifie que nous pouvons comprendre leurs sources et les atténuer », a déclaré Davenport.


Des scientifiques développent une électrode transparente qui augmente l’efficacité des cellules solaires


Plus d’information:
Kevin Davenport et al, Processus de relaxation dans les cellules solaires à hétérojonction en silicium sondées par spectroscopie de bruit, Rapports scientifiques (2021). DOI : 10.1038/s41598-021-92866-w

Fourni par l’Université de l’Utah

Citation: Réduire le bruit pour de meilleures cellules solaires (2021, 7 juillet) récupéré le 7 juillet 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-07-noise-solar-cells.html

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