Les chercheurs de l'Université de Lehigh ont créé un matériau de cellule solaire révolutionnaire offrant jusqu'à 190 % d'efficacité quantique externe, dépassant les limites d'efficacité conventionnelles et se montrant très prometteur pour l'amélioration des futurs systèmes d'énergie solaire. Des développements supplémentaires sont nécessaires pour une application pratique, soutenus par une subvention du Département américain de l'énergie.
Cela présente un grand potentiel pour faire progresser le développement de cellules solaires de nouvelle génération à haut rendement, essentielles pour répondre à la demande énergétique mondiale.
Une équipe de l'Université Lehigh a créé un matériau qui pourrait améliorer considérablement l'efficacité des panneaux solaires.
Un prototype utilisant ce matériau comme couche active dans une cellule solaire présente une absorption photovoltaïque moyenne de 80 %, un taux de génération élevé de porteurs photoexcités et une efficacité quantique externe (EQE) allant jusqu'à un niveau sans précédent de 190 %, une mesure qui dépasse de loin la limite d'efficacité théorique de Shockley-Queisser pour les matériaux à base de silicium et pousse le domaine des matériaux quantiques pour le photovoltaïque vers de nouveaux sommets.
Chindeu Ekuma. Crédit : Université Lehigh
« Ce travail représente un pas en avant significatif dans notre compréhension et le développement de solutions énergétiques durables, mettant en évidence des approches innovantes qui pourraient redéfinir l'efficacité et l'accessibilité de l'énergie solaire dans un avenir proche », a déclaré Chinedu Ekuma, professeur de physique, qui a publié un article sur le développement. du matériel avec Srihari Kastuar, doctorant de Lehigh, dans la revue Avancées scientifiques.
Propriétés avancées des matériaux
L'amélioration de l'efficacité du matériau est largement attribuable à ses « états de bande intermédiaire » distinctifs, à savoir des niveaux d'énergie spécifiques qui sont positionnés dans la structure électronique du matériau de manière à le rendre idéal pour la conversion de l'énergie solaire.
Ces états ont des niveaux d'énergie dans les sous-bandes interdites optimales (gammes d'énergie dans lesquelles le matériau peut absorber efficacement la lumière du soleil et produire des porteurs de charge) d'environ 0,78 et 1,26 électron-volts.
De plus, le matériau se comporte particulièrement bien avec des niveaux d’absorption élevés dans les régions infrarouge et visible du spectre électromagnétique.
Schéma de la cellule solaire à couches minces avec CuxGeSe/SnS comme couche active. Crédit : Ekuma Lab / Université Lehigh
Dans les cellules solaires traditionnelles, l'EQE maximum est de 100 %, ce qui représente la génération et la collecte d'un électron pour chaque photon absorbé par la lumière du soleil. Cependant, certains matériaux et configurations avancés développés au cours des dernières années ont démontré la capacité de générer et de collecter plus d'un électron à partir de photons de haute énergie, ce qui représente un EQE de plus de 100 %.
Srihari Kastuar, Université Lehigh. Crédit : Université Lehigh
Bien que ces matériaux de génération d'excitons multiples (MEG) ne soient pas encore largement commercialisés, ils ont le potentiel d'augmenter considérablement l'efficacité des systèmes d'énergie solaire. Dans le matériau développé par Lehigh, les états de bande intermédiaire permettent de capturer l'énergie photonique perdue par les cellules solaires traditionnelles, notamment par réflexion et par production de chaleur.
Développement matériel et potentiel
Les chercheurs ont développé le nouveau matériau en tirant parti des « espaces de Van der Waals », des espaces atomiquement petits entre des matériaux bidimensionnels en couches. Ces espaces peuvent confiner des molécules ou des ions, et les scientifiques des matériaux les utilisent couramment pour insérer ou « intercaler » d’autres éléments afin d’ajuster les propriétés des matériaux.
Pour développer leur nouveau matériau, les chercheurs de Lehigh ont inséré des atomes de cuivre zérovalent entre des couches d'un matériau bidimensionnel composé de séléniure de germanium (GeSe) et de sulfure d'étain (SnS).
Ekuma, un expert en physique informatique de la matière condensée, a développé le prototype comme preuve de concept après qu'une modélisation informatique approfondie du système ait démontré ses promesses théoriques.
« Sa réponse rapide et son efficacité accrue indiquent clairement le potentiel du GeSe/SnS intercalé de Cu en tant que matériau quantique destiné à être utilisé dans des applications photovoltaïques avancées, offrant une voie pour améliorer l'efficacité de la conversion de l'énergie solaire », a-t-il déclaré. « C'est un candidat prometteur pour le développement de cellules solaires de nouvelle génération à haut rendement, qui joueront un rôle crucial pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux. »
Bien que l’intégration du nouveau matériau quantique dans les systèmes d’énergie solaire actuels nécessitera des recherches et un développement supplémentaires, Ekuma souligne que la technique expérimentale utilisée pour créer ces matériaux est déjà très avancée. Au fil du temps, les scientifiques ont maîtrisé une méthode qui insère avec précision des atomes, des ions et des molécules dans les matériaux.
La recherche a été financée en partie par une subvention du ministère américain de l'Énergie.
