celui des meilleurs dispositifs commerciaux à couches minces
Le silicium domine le paysage de l'énergie solaire, mais ce n'est pas le meilleur matériau pour fabriquer les cellules solaires fines et légères nécessaires aux satellites et aux drones. Les matériaux semi-conducteurs atomiquement fins tels que le diséléniure de tungstène et le disulfure de molybdène, qui sont déjà envisagés pour l'électronique de nouvelle génération, sont prometteurs pour les cellules solaires ultrafines à faible coût qui peuvent également être flexibles. Aujourd'hui, les ingénieurs ont fabriqué des cellules solaires en diséléniure de tungstène dont le rapport puissance/poids est comparable à celui des technologies de cellules solaires à couche mince existantes.
Les cellules solaires flexibles présentées dans la revue Nature Communications ont un rendement de conversion de la lumière en électricité de 5,1 %, le plus élevé jamais enregistré pour des cellules flexibles de ce type. Leur puissance spécifique, quant à elle, est de 4,4 W/g, ce qui est comparable aux cellules solaires à couche mince, telles que celles fabriquées à partir de tellurure de cadmium, de séléniure de cuivre, d'indium et de gallium, de silicium amorphe et de semiconducteurs III-V. Si l'on poursuit les travaux d'ingénierie afin de réduire l'épaisseur du substrat et d'augmenter l'efficacité, la technologie pourrait atteindre 46 W/g, "bien au-delà de ce qui a été démontré pour d'autres technologies photovoltaïques", déclare Koosha Nassiri Nazif, ingénieur électricien à l'université de Stanford, qui a dirigé les travaux avec son collègue Alwin Daus.
Il est mille fois plus fin que le silicium, mais présente le même degré d'absorption qu'une plaquette de silicium standard.
L'efficacité du silicium est difficile à battre pour son coût, et le coût des panneaux solaires en silicium diminue chaque année. Mais "le silicium est plutôt sous-optimal pour les applications émergentes", déclare Nassiri Nazif. Ces applications comprennent l'électronique portable et conformable, les fenêtres intelligentes et d'autres utilisations architecturales, les véhicules aériens sans pilote et les véhicules électriques. "Une autre application importante est l'Internet des objets, dit-il, où il est possible de prolonger la durée de vie des piles ou de supprimer complètement le besoin de piles pour alimenter de petits capteurs et dispositifs." Une puissance spécifique élevée est essentielle pour ces utilisations, dit-il. Les technologies actuelles à couches minces et les cellules solaires pérovskites plus récentes ont toutes une puissance spécifique supérieure à celle du silicium, les pérovskites détenant le record à 29 W/g.
Mais le diséléniure de tungstène et le disulfure de molybdène, qui appartiennent à une classe de matériaux connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition (TMD), présentent des avantages par rapport aux autres matériaux. Ils sont plus légers que les cellules CdTe ou CIGS à couche mince utilisées actuellement dans l'aérospatiale. Ils sont également plus stables que les pérovskites et les matériaux photovoltaïques organiques, et plus respectueux de l'environnement que les pérovskites contenant du plomb.
En outre, les matériaux TMD présentent des capacités d'absorption de la lumière parmi les plus élevées de tous les matériaux photovoltaïques. "Il est donc possible d'avoir une couche ultrafine mille fois plus fine que le silicium et d'obtenir le même niveau d'absorption avec une conception optique appropriée", explique Nassiri Nazif.
Pourtant, les meilleures cellules solaires TMD ont jusqu'à présent eu des rendements inférieurs à 3 %, et inférieurs à 0,7 % lorsqu'elles étaient fabriquées sur un substrat léger et flexible. L'efficacité théorique de ces matériaux est toutefois de 27 %. Selon M. Daus, ils sont tout simplement plus récents et nécessitent une ingénierie plus lourde pour améliorer leur efficacité. Tous les matériaux photovoltaïques sont confrontés à des problèmes d'extraction de charge. En effet, une fois que le matériau absorbe un photon et produit des électrons et des trous, ces porteurs de charge doivent être rapidement extraits avant de pouvoir se recombiner.
L'astuce consiste à trouver le bon matériau de contact pour transporter les porteurs de charge du semi-conducteur aux électrodes. Pour cela, les chercheurs ont choisi une feuille de graphène transparente. Ils l'ont ensuite recouverte d'une couche d'oxyde de molybdène, qui est également transparente et renforce la capacité du graphène à extraire les porteurs de charge, explique M. Daus.
Une autre avancée clé qui leur permet de fabriquer des cellules solaires flexibles de haute qualité est la méthode de transfert qu'ils ont mise au point, ajoute-t-il. Ils déposent d'abord des paillettes de diséléniure de tungstène sur un substrat de silicium, y déposent des électrodes d'or, puis le recouvrent d'un mince substrat plastique flexible. Ils placent ensuite l'ensemble dans un bain d'eau pour décoller doucement la structure flexible du silicium. Enfin, ils retournent la structure de manière à ce que le diséléniure de tungstène soit sur le dessus et la recouvrent de graphène et d'oxyde de molybdène. Au final, l'ensemble du dispositif ne fait que 350 nm d'épaisseur.
Les cellules solaires sont minuscules à ce stade, souligne Nassiri Nazif, environ 100 x 100 µm. "Pour arriver au point où elles peuvent être commercialisées, nous avons besoin de dispositifs d'au moins 1 x 1 cm", dit-il. "La bonne nouvelle est que la croissance de TMD de grande surface et de haute qualité a déjà été démontrée."
Mais la plupart des efforts se sont concentrés sur la fabrication de matériaux TMD monocouches pour l'électronique, dit Daus, alors que pour les cellules solaires, il faut des films plus épais de 100-200 nm. L'équipe de Stanford a déjà commencé à fabriquer des films de 2 x 2 cm de TMD, mais jusqu'à présent, les films plus épais n'ont pas atteint la même qualité que les flocons plus petits utilisés dans l'article.
Ils espèrent que ces travaux inspireront d'autres recherches dans le domaine des cellules solaires TMD. "Notre objectif est de jeter les bases des applications photovoltaïques des TMD", déclare Nassiri Nazif. "Ces matériaux présentent un avantage fondamental par rapport aux autres technologies. Si nous résolvons les problèmes d'ingénierie, il pourrait s'agir du matériau de choix pour la technologie photovoltaïque de la prochaine génération."
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