Parlant de science du professeur Hanington : Efficacité record de 19,3 % avec une cellule solaire en plastique

May 08, 2023

Alors que nos sources d'énergie s'éloignent des combustibles fossiles vers des sources plus respectueuses de l'environnement, la recherche de cellules solaires à faible coût pouvant alimenter une maison ou recharger un véhicule électrique (ou placer l'électricité dans une sorte de réseau où vous pourrez ensuite récupérer financièrement il) se poursuit avec une ferveur croissante.

Cette semaine seulement, un grand bond en avant dans l'efficacité énergétique a été annoncé pour les cellules solaires de type organique. Comme publié dans Nature Communications, une équipe dirigée par le professeur Li Gang de l'Université polytechnique de Hong Kong a annoncé une méthode de fabrication d'une cellule solaire polymère qui a une efficacité énergétique de près de 20 %. Cela mord sur les talons de la meilleure cellule solaire au silicium du monde réel à ce jour, celle développée par Kaneka Corporation, qui a un rendement de conversion enregistré de 26,7 %. Celui-ci, composé d'un réseau monocristallin spécial, est très coûteux à fabriquer par opposition au type polymère qui peut être facilement fabriqué en raclant le matériau sur un substrat approprié. C'était en 2016 et détient toujours le record.

Pour comprendre comment l'équipe de Hong Kong a réussi un tel exploit, nous devons revenir un peu en arrière et passer rapidement en revue les concepts impliqués dans la transformation de la lumière du soleil en énergie. Bien que la première démonstration de l'effet photovoltaïque, par Edmond Becquerel en 1839, ait utilisé une cellule électrochimique, celle que nous connaissons probablement le mieux est une cellule au silicium, la norme utilisée pour les lampes de jardin rechargeables et les calculatrices. Ce sont tous des appareils en silicium car la technologie de cet élément est bien connue, ayant plus de soixante-dix ans.

La cellule solaire en silicium est constituée de deux couches à l'intérieur, l'une appelée type P et l'autre type N. Le silicium de type P est produit en ajoutant des atomes - tels que le bore ou le gallium - qui ont un électron de moins dans leur niveau d'énergie externe que le silicium. Parce que le bore a un électron de moins qu'il n'en faut pour former les liaisons avec les atomes de silicium environnants, une lacune d'électron ou "trou" est créée.

Le silicium de type n est fabriqué en incluant des atomes qui ont un électron de plus dans leur niveau externe que le silicium, comme le phosphore. Le phosphore a cinq électrons dans son niveau d'énergie externe, et non quatre. Bien que le silicium ait quatre électrons, il se lie facilement avec le bore ou le phosphore dans la structure cristalline. Mais parce que le phosphore a cet électron supplémentaire, le cristal y est légèrement chargé négativement car cet électron n'est pas impliqué dans la liaison et à la place, il est libre de se déplacer à l'intérieur de la structure de silicium. Il devient porteur de charge. De même dans la région dopée au bore. Le "trou" qui s'y forme - en fait une liaison manquante - peut également agir comme un porteur de charge car la liaison manquante peut se déplacer et agir comme une entité positive. Lorsqu'une région N est placée à côté d'une région P, certains de ces électrons et trous supplémentaires se retrouvent et une région d'appauvrissement se forme qui est dépourvue de ces charges mobiles.

Mais voici la partie intéressante de cette zone d'appauvrissement du no man's land : parce que les atomes de bore et de phosphore restent en place, le côté de type N de la zone d'appauvrissement contient maintenant des ions chargés positivement (provenant des atomes de phosphore) et le côté P maintenant contient des ions chargés négativement (provenant des atomes de bore), ce qui crée un champ électrique interne qui empêche le mélange ultérieur des électrons et des trous. Mais lorsque la lumière du soleil frappe la jonction PN, les électrons du silicium sont éjectés, formant des "trous". Lorsque cela se produit dans le champ électrique de la région d'appauvrissement, le champ déplacera les électrons vers la couche de type n et les trous vers la couche de type p.

Si vous connectez les régions extérieures des couches de type n et de type p avec un fil métallique, les électrons se déplaceront, créant un flux d'électricité. Une cellule de cristal de silicium typique crée environ 0,6 volt en plein soleil et peut fournir 1 ampère de courant pour une cellule de la surface d'un téléphone portable typique. Pour obtenir une tension plus élevée, il vous suffit de placer plusieurs cellules en série. Le coût moyen par watt pour une cellule solaire monocristalline est d'environ 1 $.

Lorsque vous regardez le haut gris de la cellule solaire, vous pouvez voir jusqu'à la jonction PN où se déroulent toutes les actions ci-dessus.

La couche supérieure est généralement la région de type N. Mettre une région N sur le dessus présente un avantage car elle est plus résistante à la dégradation induite par la lumière en raison de la présence de phosphore au lieu de bore. Ce facteur conduit à plus de charges se déplaçant dans la cellule et à une sortie plus efficace et plus puissante.

La semaine prochaine, nous examinerons les cellules solaires organiques et leur fonctionnement.

Gary Hanington est professeur émérite de sciences physiques au Great Basin College et scientifique en chef à l'AHV. Il peut être contacté à [email protected].

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