Un nouveau type de cellule solaire est testé dans l’espace

Un nouveau type de cellule solaire est testé dans l'espace

Nanofils en trois matériaux imagés par un microscope électronique à balayage. Un fil est mille fois plus fin qu’une mèche de cheveux. La couleur rouge et bleue montre la direction du courant et que les nanofils fonctionnent comme une cellule solaire en tandem. Crédit : Université de Lund

Des chercheurs en physique de l’Université de Lund en Suède ont récemment réussi à construire de petites antennes collectant le rayonnement solaire – des nanofils – en utilisant trois matériaux différents qui correspondent mieux au spectre solaire par rapport aux cellules solaires au silicium d’aujourd’hui. Comme les nanofils sont légers et nécessitent peu de matière par unité de surface, ils doivent maintenant être installés pour des tests sur des satellites, qui sont alimentés par des cellules solaires et où l’efficacité, associée à un faible poids, est le facteur le plus important. Les nouvelles cellules solaires ont été envoyées dans l’espace il y a quelques jours.

Un groupe de chercheurs en nano-ingénierie de l’Université de Lund travaillant sur les cellules solaires a fait une percée l’année dernière lorsqu’ils ont réussi à construire des nanofils photovoltaïques avec trois bandes interdites différentes. En d’autres termes, cela signifie qu’un seul et même nanofil est constitué de trois matériaux différents qui réagissent à différentes parties de la lumière solaire. Les résultats ont été publiés dans Matériaux aujourd’hui Énergie et ensuite plus en détail dans Nano-recherche.

“Le grand défi était d’obtenir le transfert de courant entre les matériaux. Cela a pris plus de dix ans, mais cela a finalement fonctionné”, explique Magnus Borgström, professeur de physique du solide, qui a écrit les articles avec le doctorant de l’époque, Lukas. Hrachowina.

Une dizaine d’équipes de recherche dans le monde se concentrent activement sur les cellules solaires à nanofils.

“Le défi a été de combiner différentes bandes interdites dans les cellules solaires et cette porte s’est donc enfin ouverte”, déclare Magnus Borgström.

Alternative au silicium dans le futur

Les cellules solaires à bandes interdites différentes, appelées cellules solaires tandem, se trouvent jusqu’à présent principalement sur les satellites et font l’objet de recherches intensives. L’objectif de la recherche est d’augmenter considérablement l’efficacité, pour peut-être doubler celle des cellules solaires au silicium commerciales d’aujourd’hui (environ 20%).

“Les cellules solaires au silicium ont rapidement atteint leur limite maximale d’efficacité. Par conséquent, l’attention s’est maintenant portée sur le développement de cellules solaires en tandem. Les variantes montées sur les satellites sont trop chères pour être installées sur un toit”, explique Magnus Borgström.

La manière la plus courante de construire des cellules solaires en tandem consiste à synthétiser différents matériaux semi-conducteurs les uns sur les autres, des matériaux capables d’absorber différentes parties du spectre solaire. Les cellules solaires tandem à base de silicium suscitent beaucoup d’intérêt et impliquent la pose de films minces et semi-transparents d’un autre matériau captant la lumière sur le silicium.

Les chercheurs de Lund utilisent une approche légèrement différente. Ils ont développé une méthode dans laquelle ils construisent des tiges extrêmement minces de matériau semi-conducteur sur un substrat. L’avantage est une petite quantité de matériau par unité de surface, ce qui pourrait réduire les coûts de production et devenir une alternative plus durable.

Les tiges d’un nanomètre d’épaisseur sont constituées de trois matériaux qui contiennent différentes quantités d’indium, d’arsenic, de gallium et de phosphore. En laboratoire, les chercheurs ont jusqu’à présent atteint une efficacité de 16,7%. Un collègue, Yang Chen, a montré que les cellules solaires à nanofils ont le potentiel d’atteindre une efficacité de 47 % en utilisant la structure actuelle. Pour atteindre une efficacité encore plus élevée, il faut plus de bandes interdites.

Dans la prochaine étape, lui et ses collègues optimiseront les triples diodes en améliorant les jonctions tunnel qui relient les différents matériaux de la structure et tenteront de réduire l’effet de surface des nanofils, ce qui est très important à l’échelle nanométrique.

Outre leur meilleure absorption de la lumière, les cellules solaires à nanofils se caractérisent par leur durabilité car elles peuvent, par exemple, mieux résister aux rayonnements nocifs dans l’espace que les cellules solaires tandem à base de film correspondantes.

“Une feuille de nanofils peut être comparée à un lit de clous très clairsemé. Si des protons agressifs arrivaient, ce qui arrive de temps en temps, ils atterriraient probablement entre les fils et s’ils arrivaient à éliminer certains fils, cela n’aurait pas beaucoup d’importance. Les dommages pourraient être pires s’ils atterrissent sur un film mince régulier.

Essais dans l’espace au printemps

Ces avantages ont conduit à l’installation récente des cellules solaires à nanofils sur un satellite de recherche, qui a été envoyé dans l’espace la deuxième semaine de janvier par les partenaires de collaboration des chercheurs du California Institute of Technology, Caltech, aux États-Unis.

“Une grande partie de nos communications numériques est contrôlée par des satellites, qui à leur tour sont alimentés par des cellules solaires. Les satellites transmettent le GPS, les transmissions TV, le trafic de données, les appels téléphoniques mobiles et les données météorologiques.”

Le satellite sera en orbite au printemps et les résultats devraient être reçus de manière continue.

Magnus Borgström pense que les cellules solaires en tandem finiront également sur Terre à long terme, mais que, au moins au début, les cellules solaires sans silicium seront utilisées dans des applications de niche telles que les vêtements, les fenêtres et la décoration.

Plus d’information:
Lukas Hrachowina et al, Réalisation de nanofils photovoltaïques à triple jonction GaInP/InP/InAsP définis axialement pour des cellules solaires à haute performance, Matériaux aujourd’hui Énergie (2022). DOI: 10.1016/j.mtener.2022.101050

Lukas Hrachowina et al, Développement et caractérisation de nanofils photovoltaïques à jonction tandem à l’aide de mesures de courant induites par faisceau d’électrons, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4469-1

Fourni par l’Université de Lund

Citation: Un nouveau type de cellule solaire est testé dans l’espace (2023, 31 janvier) récupéré le 31 janvier 2023 sur https://techxplore.com/news/2023-01-solar-cell-space.html

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