Cette image montre une visualisation du transfert d'excitons calculé d'une couche supérieure de tétracène d'une cellule solaire vers le substrat de silicium. L'électron est représenté en bleu et le trou électronique en rouge. Crédit : Marvin Krenz, Université de Paderborn
Des chercheurs de l'Université de Paderborn améliorent l'efficacité des cellules solaires grâce à l'intégration stratégique des imperfections dans la conception du système.
Depuis le début du XXIe siècle, l’Allemagne a connu des progrès significatifs dans le domaine de l’énergie solaire. En 2000, l’énergie solaire représentait moins de 1 % de sa production d’électricité. Cependant, en 2022, ce pourcentage était passé à environ 11 pour cent. Cette croissance a été stimulée par une combinaison de généreuses incitations financières pour les installations solaires résidentielles et de progrès technologiques qui ont réduit le coût des panneaux solaires.
Alors que les conflits mondiaux rendent les marchés du pétrole et du gaz naturel moins fiables, l'énergie solaire devrait jouer un rôle encore plus important pour répondre aux besoins énergétiques de l'Allemagne dans les années à venir. Bien que la technologie solaire ait parcouru un long chemin au cours du dernier quart de siècle, les cellules solaires des panneaux solaires contemporains ne fonctionnent encore qu'avec un rendement moyen d'environ 22 %.
Dans le but d'améliorer l'efficacité des cellules solaires, une équipe de recherche dirigée par le professeur Wolf Gero Schmidt de l'Université de Paderborn a utilisé les ressources de calcul haute performance (HPC) du Centre de calcul haute performance de Stuttgart (HLRS) pour étudier comment ces cellules solaires les cellules convertissent la lumière en électricité. Récemment, l'équipe a utilisé le supercalculateur Hawk du HLRS pour déterminer comment la conception de certaines impuretés stratégiques dans les cellules solaires pourrait améliorer les performances.
« Notre motivation est double : dans notre institut de Paderborn, nous travaillons depuis un certain temps sur une méthodologie pour décrire au microscope la dynamique des matériaux optiquement excités, et nous avons publié un certain nombre d'articles pionniers sur ce sujet dans ces dernières années », a déclaré Schmidt. « Mais récemment, nous avons reçu une question de collaborateurs du Helmholtz Zentrum Berlin qui nous demandaient de les aider à comprendre de manière fondamentale le fonctionnement de ces cellules. Nous avons donc décidé d'utiliser notre méthode et de voir ce que nous pouvions faire. »
Récemment, l’équipe a utilisé Hawk pour simuler la manière dont les excitons – une paire d’électrons sortis optiquement et le « trou » électronique qu’il laisse derrière eux – peuvent être contrôlés et déplacés à l’intérieur des cellules solaires afin de capturer davantage d’énergie. Au cours de ses recherches, l’équipe a fait une découverte surprenante : elle a découvert que certains défauts du système, introduits de manière stratégique, amélioreraient le transfert d’excitons plutôt que de l’entraver. L'équipe a publié ses résultats dans Lettres d'examen physique.
Concevoir des cellules solaires pour une conversion d'énergie plus efficace
La plupart des cellules solaires, tout comme de nombreux appareils électroniques modernes, sont principalement constituées de silicium. Après l’oxygène, c’est le deuxième élément chimique le plus abondant sur Terre en termes de masse. Environ 15 pour cent de l'ensemble de notre planète est constitué de silicium, dont 25,8 pour cent de la croûte terrestre. Le matériau de base pour une production d’énergie respectueuse du climat est donc abondant et disponible presque partout.
Ce matériau présente cependant certains inconvénients pour capter le rayonnement solaire et le convertir en électricité. Dans les cellules solaires traditionnelles à base de silicium, les particules lumineuses, appelées photons, transfèrent leur énergie aux électrons disponibles dans la cellule solaire. La cellule utilise ensuite ces électrons excités pour créer un courant électrique.
Le problème? Les photons à haute énergie fournissent bien plus d’énergie que ce qui peut être transformé en électricité par le silicium. Les photons de lumière violette, par exemple, ont environ trois électrons-volts (eV) d'énergie, mais le silicium n'est capable de convertir qu'environ 1,1 eV de cette énergie en électricité. Le reste de l’énergie est perdu sous forme de chaleur, ce qui constitue à la fois une occasion manquée de capter de l’énergie supplémentaire et réduit les performances et la durabilité des cellules solaires.
Ces dernières années, les scientifiques ont commencé à chercher des moyens de réacheminer ou de capturer une partie de cet excès d’énergie. Alors que plusieurs méthodes sont à l'étude, l'équipe de Schmidt s'est concentrée sur l'utilisation d'une fine couche moléculaire de tétracène, un autre matériau semi-conducteur organique, comme couche supérieure d'une cellule solaire.
Contrairement au silicium, lorsque le tétracène reçoit une énergie élevée photon, il divise les excitons résultants en deux excitations de plus faible énergie dans un processus connu sous le nom de fission singulet. En plaçant une couche d'interface soigneusement conçue entre le tétracène et le silicium, les excitons à faible énergie résultants peuvent être transférés du tétracène au silicium, où la majeure partie de leur énergie peut être convertie en électricité.
L'utilité dans l'imperfection
Qu'ils utilisent du tétracène ou un autre matériau pour augmenter les cellules solaires traditionnelles, les chercheurs se sont concentrés sur la conception de l'interface parfaite entre les éléments constitutifs d'une cellule solaire afin de fournir les meilleures conditions possibles pour le transfert d'excitons.
Schmidt et son équipe utilisent ab initio simulations de dynamique moléculaire (AIMD) pour étudier la façon dont les particules interagissent et se déplacent dans une cellule solaire. Grâce à l'accès à Hawk, l'équipe est en mesure d'effectuer des calculs coûteux en termes de calcul pour observer comment plusieurs centaines d'atomes et leurs électrons interagissent les uns avec les autres. L’équipe utilise des simulations AIMD pour avancer le temps à intervalles de femtoseconde afin de comprendre comment les électrons interagissent avec les trous électroniques et d’autres atomes du système. Tout comme d’autres chercheurs, l’équipe a cherché à utiliser sa méthode informatique pour identifier les imperfections du système et chercher des moyens de l’améliorer.
À la recherche de l’interface parfaite, ils ont découvert une surprise : une interface imparfaite pourrait être meilleure pour le transfert d’excitons. Dans un système atomique, les atomes qui ne sont pas complètement saturés, c’est-à-dire qui ne sont pas complètement liés à d’autres atomes, ont ce qu’on appelle des « liaisons pendantes ». Les chercheurs supposent normalement que les liaisons pendantes entraînent des inefficacités dans les interfaces électroniques, mais dans leurs simulations AIMD, l’équipe a découvert que les liaisons pendantes en silicium favorisaient en réalité un transfert d’excitons supplémentaire à travers l’interface.
« Un défaut implique toujours qu'il y a quelque chose de indésirable dans un système, mais ce n'est pas vraiment vrai dans notre cas », a déclaré le professeur Uwe Gerstmann, professeur à l'Université de Paderborn et collaborateur du projet. « En physique des semi-conducteurs, nous avons déjà utilisé stratégiquement des défauts que nous appelons donneurs ou accepteurs, qui nous aident à construire des diodes et des transistors. Donc, stratégiquement, les défauts peuvent certainement nous aider à développer de nouveaux types de technologies.
Le Dr Marvin Krenz, chercheur postdoctoral à l'Université de Paderborn et auteur principal de l'article de l'équipe, a souligné la contradiction entre les conclusions de l'équipe et l'état actuel de la recherche sur les cellules solaires. « Il est intéressant pour nous que l'orientation actuelle de la recherche soit orientée vers la conception d'interfaces toujours plus parfaites et vers l'élimination des défauts à tout prix. Notre article pourrait être intéressant pour la communauté des chercheurs dans son ensemble, car il indique une voie différente à suivre lorsqu’il s’agit de concevoir ces systèmes », a-t-il déclaré.
Forte de ces nouvelles connaissances, l’équipe envisage désormais d’utiliser sa future puissance de calcul pour concevoir des interfaces parfaitement imparfaites, pour ainsi dire. Sachant que les liaisons pendantes du silicium peuvent contribuer à favoriser ce transfert d’excitons, l’équipe souhaite utiliser l’AIMD pour concevoir de manière fiable une interface avec un transfert d’excitons amélioré. Pour l’équipe, l’objectif n’est pas de concevoir du jour au lendemain la cellule solaire parfaite, mais de continuer à améliorer les générations suivantes de technologie solaire.
« Je suis convaincu que nous continuerons à améliorer progressivement l'efficacité des cellules solaires au fil du temps », a déclaré Schmidt. « Au cours des dernières décennies, nous avons constaté une augmentation annuelle moyenne de l’efficacité d’environ 1 % dans les différentes architectures de cellules solaires. Des travaux tels que celui que nous avons réalisé ici suggèrent que de nouvelles augmentations sont à prévoir dans le futur. En principe, une augmentation de l’efficacité d’un facteur 1,4 est possible grâce à l’utilisation cohérente de la fission singulet.
Le financement de Hawk a été fourni par le ministère des Sciences, de la Recherche et des Arts du Bade-Wurtemberg et le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche par l'intermédiaire du Gauss Center for Supercomputing (GCS).
