Les chercheurs suggèrent que la construction de nanocouches sphériques sur des cellules solaires peut augmenter leur efficacité de conversion jusqu’à 66%.
L’industrie photovoltaïque (PV) est en plein essor, portée par le besoin croissant d’énergie propre et la diminution des coûts. Les chercheurs développent constamment des matériaux et des techniques de gestion de la lumière pour améliorer l’efficacité de conversion d’énergie des panneaux solaires. Ils explorent plusieurs approches pour augmenter les rendements, telles que les cellules tandem, les matériaux à base de perovskite et l’intelligence artificielle pour optimiser la conception et la fabrication des cellules solaires.
Parmi ces techniques, les méthodes de gestion de la lumière attirent beaucoup l’attention de la recherche car elles rapprochent les cellules solaires de leurs rendements maximaux théoriques. Alors que certains matériaux offrent un meilleur rendement potentiel, ils peuvent être coûteux ou complexes à produire. Les méthodes de capture de la lumière permettent d’améliorer les performances des matériaux existants bien compris de manière potentiellement plus rentable.
Panneau solaire captant les rayons du soleil. Image utilisée avec l’aimable autorisation d’Adobe Stock
Des nanostructures telles que des pyramides, des cônes ou des fils fonctionnent comme de petits « pièges à lumière ». Elles réduisent la réflexion de la lumière du soleil, faisant rebondir la lumière à l’intérieur de la structure au lieu de s’échapper, augmentant ainsi les chances que la lumière soit absorbée et convertie en électricité. De plus, elles augmentent considérablement la surface effective de la cellule photovoltaïque. En ajustant soigneusement la taille et la forme des nanostructures, les chercheurs peuvent rendre les cellules solaires plus efficaces pour absorber différentes longueurs d’onde de lumière. En d’autres termes, les structures peuvent également étendre la plage du spectre solaire que la cellule peut utiliser, ce qui améliore les performances globales.
Des chercheurs de l’Université Abdullah Gül, en Turquie, suggèrent que la déposition de petites hémisphères à la surface des panneaux solaires peut augmenter leur efficacité jusqu’à deux tiers car elles captent la lumière sous un angle plus large.
Améliorer l’absorption de la lumière solaire grâce aux reliefs
Les chercheurs ont étudié des cellules photovoltaïques composées du polymère organique P3HT: ICBA en tant que couche active, avec une couche d’aluminium en dessous. La couche flexible de Poly (méthacrylate de méthyle) ou PMMA agit en tant que substrat avec une couche transparente protectrice supplémentaire d’oxyde d’indium et d’étain (ITO). Ils ont testé différentes formes de nanostructures à la surface de cette structure et ont constaté que les nanocouches sphériques piègent et font circuler la lumière de manière plus efficace. Pour l’analyse des différentes nanostructures, ils ont effectué une analyse par éléments finis 3D (FEA) et ont utilisé des champs électriques transversaux ou magnétiques transversaux pour simuler les sources lumineuses.
Illustration de la structure proposée pour la cellule solaire. Image utilisée avec l’aimable autorisation de SPIE
À partir de l’analyse FEA, l’équipe a constaté que les reliefs montraient des améliorations de 36% et 66% de l’absorption de la lumière, en fonction de la polarisation de la lumière, en offrant une couverture angulaire pouvant atteindre 82 degrés. Les chercheurs n’ont pas construit de versions physiques des cellules solaires basées sur ce concept, mais ils sont convaincus que si le principe fonctionne, les nouvelles photovoltaïques peuvent être bénéfiques dans divers domaines d’application des cellules solaires organiques, tels que les dispositifs biomédicaux, les fenêtres et les serres de production d’énergie, l’Internet des objets, etc.