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Panneaux solaires : des chercheurs veulent multiplier par 1000 la puissance des cellules photovoltaïques

La puissance des cellules photovoltaïques peut être multipliée par 1 000, c'est une nouvelle structure composée de trois couches cristallines qui permet d’arriver à ce résultat.

Le fonctionnement des panneaux solaires repose sur les cellules photovoltaïques: il s’agit de composants électroniques capables de produire de l’électricité à partir du rayonnement solaire. Les cellules photovoltaïques actuelles sont principalement basées sur le silicium. Elles sont difficiles à produire en raison de la nécessité d’une jonction dite PN.

Cette configuration nécessite l’intégration de couches chargées positivement et négativement, la création de l’effet photovoltaïque n’est pas possible sans cela. Un autre problème des cellules solaires à base de silicium est leur faible capacité. Tous ces facteurs conduisent à envisager d’autres matériaux pour améliorer l’efficacité des panneaux photovoltaïques.

Une structure en réseau composée de trois couches différentes de cristaux ferroélectriques

Une équipe de chercheurs de l’université Martin-Luther de Halle-Wittenberg (MLU) en Allemagne pense à cet effet tenir une piste intéressante: dans un article publié en juin dernier dans la revue Science Advances, elle décrit une structure cristalline qui multiplie par 1 000 la puissance des cellules photovoltaïques.

Les chercheurs de l’université allemande ont mis au point une structure en réseau composée de trois couches différentes de cristaux ferroélectriques; cet arrangement est en mesure de générer un puissant effet photovoltaïque.

La production d’électricité est 1 000 fois supérieure à celle des cellules solaires à base de silicium, notent les auteurs de la recherche dans leur étude. Les trois cristaux ferroélectriques en question sont des titanates de baryum, de strontium et de calcium.

Des cellules plus efficaces et plus faciles à produire

L’attribut ferroélectrique signifie que le matériau possède des charges positives et négatives séparées dans l’espace. Cette séparation des charges donne une structure asymétrique qui produit l’effet photovoltaïque. Les cristaux ferroélectriques diffèrent des cellules de silicium conventionnelles. Ils n’ont pas besoin d’une jonction PN pour convertir la lumière en énergie électrique. Les couches chargées positivement et négativement ne sont donc plus nécessaires. Par conséquent, les cellules photovoltaïques basées sur les cristaux ferroélectriques sont plus faciles à produire.

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Les expérimentations ont été réalisées principalement avec le titanate de baryum, qui présente une faible capacité d’absorption du rayonnement solaire. Aussi, son rendement électrique est relativement faible.

Panneaux solaires : des chercheurs veulent multiplier par 1000 la puissance des cellules photovoltaïques
Image d’illustration. Crédit photo : Shutterstock / PavelNovakUA

Les chercheurs de la MLU ont alors pensé à combiner des couches ultra-minces de différents matériaux pour augmenter le rendement de conversion énergétique. La fine couche paraélectrique ne possède pas de charges séparées. Cependant, elle peut devenir ferroélectrique dans certaines conditions, par exemple à basse température ou avec une structure chimique légèrement modifiée.

Des travaux supplémentaires au programme

Pour obtenir une augmentation considérable de l’effet photovoltaïque, la couche ferroélectrique a été alternée avec deux couches paraélectriques différentes: les scientifiques allemands ont combiné le titanate de baryum avec les titanates de strontium et de calcium. Les matériaux ont été assemblés par vaporisation à l’aide d’un laser de forte puissance. Le processus a donné lieu à une structure de 500 couches, chacune d’une épaisseur d’environ 200 nanomètres.

« L’interaction entre les couches du réseau semble conduire à une permittivité beaucoup plus élevée. En d’autres termes, les électrons peuvent circuler beaucoup plus facilement grâce à l’excitation par les photons lumineux », expliquent les chercheurs de l’université Martin-Luther de Halle-Wittenberg. Ils prévoient de poursuivre leurs travaux pour comprendre ce qui cause précisément cet effet photovoltaïque.

Marc Odilon

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