Cellules solaires : un nouveau matériau capable d’atteindre une efficacité quantique de 190 %
Des chercheurs de l’université de Lehigh, aux États-Unis, ont mis au point un matériau capable d’accroître considérablement l’efficacité des panneaux solaires.
Un prototype utilisant le matériau 2D comme couche active dans une cellule solaire présente une absorption photovoltaïque moyenne de 80 %, un taux élevé de génération de porteurs photoexcités et une efficacité quantique externe (EQE) pouvant atteindre 190 %. Ce résultat dépasse de loin la limite d’efficacité théorique de Shockley-Queisser pour les matériaux à base de silicium et ouvre le champ des matériaux quantiques pour l’énergie photovoltaïque.
« Ce travail représente une avancée significative dans notre compréhension et notre développement de solutions énergétiques durables, mettant en lumière 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 matériau avec Srihari Kastuar, étudiant en doctorat à Lehigh, dans la revue Science Advances.
- Un panneau photovoltaïque tandem en pérovskite de taille normale présente une conversion record de 25
- Cellule solaire à pérovskite sur substrat d’acier
- Les aérosols stimulent la production de cellules solaires en pérovskite
L’amélioration de l’efficacité du matériau est largement attribuable à des « états de bande intermédiaires » distinctifs, des niveaux d’énergie spécifiques qui sont positionnés dans la structure électronique du matériau d’une manière qui les rend idéaux pour la conversion de l’énergie solaire.
Ces états ont des niveaux d’énergie qui se situent dans les intervalles optimaux de la sous-bande, c’est-à-dire dans les plages d’énergie où le matériau peut absorber efficacement la lumière du soleil et produire des porteurs de charge, soit environ 0,78 et 1,26 électronvolt.
En outre, le matériau est particulièrement performant avec des niveaux élevés d’absorption dans les régions infrarouge et visible du spectre électromagnétique.
Dans les cellules solaires traditionnelles, l’EQE maximale 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 à haute énergie, ce qui représente une EQE de plus de 100 %.
Bien que ces matériaux de génération d’excitons multiples (MEG) ne soient pas encore commercialisés à grande échelle, ils sont susceptibles d’accroître considérablement l’efficacité des systèmes de production d’énergie solaire. Dans le matériau mis au point à LeHigh, les états de bande intermédiaires permettent de capter l’énergie des photons qui est perdue par les cellules solaires traditionnelles, notamment par réflexion et production de chaleur.
Les chercheurs ont mis au point ce nouveau matériau en tirant parti des espaces de van der Waals, des espaces atomiquement petits entre des matériaux bidimensionnels stratifiés. Ces lacunes peuvent confiner des molécules ou des ions, et les spécialistes des matériaux les utilisent couramment pour insérer, ou « intercaler », d’autres éléments afin d’ajuster les propriétés des matériaux.
Pour mettre au point 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 a développé le prototype de cellule solaire comme preuve de concept après qu’une modélisation informatique approfondie du système ait démontré son potentiel théorique.
« Sa réponse rapide et son efficacité accrue indiquent fortement le potentiel du GeSe/SnS intercalé au Cu en tant que matériau quantique pour les applications photovoltaïques avancées, offrant une voie pour l’amélioration de l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire », a-t-il déclaré. « C’est un candidat prometteur pour le développement de la prochaine génération de cellules solaires à haut rendement.
Bien que l’intégration du nouveau matériau quantique dans les panneaux solaires actuels nécessite des recherches et des développements supplémentaires, Ekuma souligne que la technique expérimentale utilisée pour créer ces matériaux est déjà très avancée.
Si vous avez apprécié cet article, vous aimerez les suivants : ne les manquez pas en vous abonnant à :
