Des cellules solaires révolutionnaires agissent comme des lasers
Les cellules solaires à base de silicium comme celles posées sur nos toits fonctionnent avec une efficacité d’environ 20% pour convertir les rayons du soleil en énergie électrique ; Il aura fallu plus de 20 ans pour atteindre ce taux de rendement.
Un nouveau type de cellule solaire basée sur un matériau en pérovskite – du nom du scientifique Lev Perovski, qui a découvert ce minéral en titanate de calcium dans les montagnes de l’Oural au 19ème siècle – a été récemment lancé par une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Henry Snaith de l’université d’Oxford.
Les cellules solaires en pérovskite constituent une source de grande effervescence dans la communauté des chercheurs car elles se positionnent déjàà quelque longueur seulement derrière le silicium classique, après avoir atteint 17% d’efficacité après seulement deux années de recherche. Elles ouvrent la perspective de voir une production d’énergie solaire économique, à grande échelle.
Maintenant, les chercheurs de l’équipe du Professeur Sir Richard Friend au laboratoire Cavendish de Cambridge – en collaboration avec le groupe d’Oxford de Snaith – ont démontré que les cellules en pérovskite sont capables non seulement d’absorber la lumière, mais aussi d’en émettre. Les résultats publiés en ligne dans le Journal of Physical Chemistry Letters montrent que ces “cellules miracles” peuvent aussi produire des lasers à bas prix.
En insérant une fine couche de pérovskite d’halogénures de plomb entre deux miroirs, l’équipe a produit un laser optique qui prouve que ces cellules “possèdent une luminescence très efficace” – avec jusqu’à 70% de lumière absorbée réémise.
Les chercheurs soulignent la relation fondamentale, mis au jour par Shockley et Queisser en 1961, entre la génération de charges électriques après absorption de lumière et le processus de “recombinaison” de ces charges àémettre à nouveau de la lumière. Essentiellement, si un matériau est bon pour convertir la lumière en électricité, alors il le sera également pour convertir l’électricité en lumière.
Les propriétés d’émission laser dans ces matériaux suscitent des attentes dans l’efficacité encore plus élevée des cellules solaires, a précisé l’équipe d’Oxbridge.
“Cette première démonstration de l’effet laser dans le traitement bon marché des semi-conducteurs ouvre la porte à de nouvelles applications“, a déclaré l’auteur principal, le Dr Felix Deschler du Laboratoire Cavendish. “Nos résultats démontrent l’utilisation possible de ce matériau dans les télécommunications et dans des dispositifs émettant de la lumière.“
La plupart des matériaux destinées à la fabrication des cellules solaires nécessite des traitements coûteux afin d’obtenir un niveau d’impureté très faible et arriver ainsi à de bonnes performances luminescences. Étonnamment, ces nouveaux matériaux fonctionnent bien, même s’ils sont préparés très simplement comme le procédé des couches minces.
Les chercheurs ont constaté que lors de l’absorption de la lumière dans la pérovskite, deux charges (électrons et trous) sont formées très rapidement – moins de 1 picoseconde – mais ensuite ils prennent quelques microsecondes à se recombiner. Ceci est suffisamment long pour des défauts chimiques qui ont cessé l’émission de lumière dans la plupart des autres semi-conducteurs tels que le silicium ou l’arséniure de gallium. “Cette longévité associée avec une luminescence exceptionnellement élevée sont sans précédent dans les semi-conducteurs inorganiques à simple retraitement” a déclaré le Dr Sam Stranks, co-auteur de l’équipe de l’Université d’Oxford.
“Nous avons été surpris de trouver un tel rendement élevé de luminescence dans des matériaux faciles à retraiter. Cela a des implications dans l’amélioration du rendement des cellules solaires“, a déclaré Michael Price, co-auteur, à Cambridge.
Et Henry Snaith d’ajouter : “Ce comportement luminescent est un excellent test de performance de la cellule solaire – une luminescence plus pauvre (comme dans les cellules solaires au silicium amorphe) réduit à la fois le rendement quantique (courant collecté) et également la tension de la cellule.”
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