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Cellules solaires : une couche de trois cristaux produit mille fois plus de puissance

nouvelle technologie de celllule solaire

L’effet photovoltaïque des cristaux ferroélectriques peut être multiplié par 1 000 si trois matériaux différents sont disposés périodiquement dans un réseau. Cela a été révélé dans une étude menée par des chercheurs de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU). Ils y sont effectivement parvenus en créant des couches cristallines de titanate de baryum, de titanate de strontium et de titanate de calcium. Des matériaux qu’ils ont alternativement superposés. Leurs découvertes pourraient augmenter considérablement l’efficacité des cellules solaires.

Cellules solaires : du ferroélectrique pour générer de l’électricité à partir de la lumière

La plupart des cellules solaires sont actuellement à base de silicium ; avec une efficacité toujours limitée. Cela a donc incité les chercheurs à examiner de nouveaux matériaux, tels que les ferroélectriques comme le titanate de baryum, un oxyde mixte composé de baryum et de titane. « Ferroélectrique signifie que le matériau a spatialement séparé les charges positives et négatives », explique le physicien Dr Akash Bhatnagar du Centre de compétences en innovation de MLU SiLi-nano. La séparation des charges conduit à une structure asymétrique qui permet de générer de l’électricité à partir de la lumière. Contrairement au silicium, les cristaux ferroélectriques ne nécessitent pas de jonction dite PN pour créer l’effet photovoltaïque. En d’autres termes pas de couches dopées positivement et négativement. Cela rend beaucoup plus facile la production des panneaux solaires.

Cependant, le titanate de baryum pur n’absorbe pas beaucoup de lumière solaire et génère par conséquent un photocourant relativement faible. Les dernières recherches ont montré que la combinaison de couches fines de différents matériaux augmente considérablement le rendement énergétique solaire.

« L’important ici est qu’un matériau ferroélectrique soit alterné avec un matériau paraélectrique. Bien que ce dernier n’ait pas de charges séparées, il peut devenir ferroélectrique dans certaines conditions. Il peut par exemple le devenir à basse température ou lorsqu’on modifie légèrement sa structure chimique », explique Bhatnagar.

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Un résultat surprenant

Le groupe a découvert que le fait d’alterner la couche ferroélectrique avec deux couches paraélectrique différentes améliore l’effet photovoltaïque. Yeseul Yun, premier auteur de l’étude, explique : « Nous avons intégré le titanate de baryum entre le titanate de strontium et le titanate de calcium. Nous avons vaporisé les cristaux avec un laser à haute puissance et en les redéposant sur des substrats porteurs. Cela a produit un matériau fabriqué de 500 couches d’environ 200 nanomètres d’épaisseur. »

Lors de la réalisation des mesures photoélectriques, le nouveau matériau a été irradié avec de la lumière laser. Le résultat a surpris même le groupe de recherche. Par rapport au titanate de baryum pur d’une épaisseur similaire, le flux de courant était jusqu’à 1 000 fois plus fort.

« L’interaction entre les couches du réseau semble conduire à une permittivité beaucoup plus élevée. En d’autres termes, les électrons peuvent circuler beaucoup plus facilement en raison de l’excitation par les photons lumineux », explique Akash Bhatnagar. Les mesures ont également montré que cet effet est très robuste. Il est resté quasiment constant sur une période de six mois.

Il faut maintenant important de faire des recherches plus approfondies pour savoir exactement ce qui cause l’effet photoélectrique exceptionnel. Bhatnagar sait pertinemment que le potentiel démontré par le nouveau concept s’utilisera dans des applications pratiques dans les panneaux solaires.

« La structure en couches montre un rendement plus élevé dans toutes les plages de température que les ferroélectriques purs. Les cristaux sont également nettement plus durables. Ils ne nécessitent pas d’emballage spécial. »

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