Les cellules solaires gagnent en efficacité en émettant de la lumière dans moins de directions.

Les cellules solaires absorbent la lumière du soleil et la convertissent en électricité. Ce processus n’est cependant pas parfait, et une grande partie de l’énergie solaire est perdue en cours de route. Une partie est dissipée sous forme de chaleur, tandis que les photons d’énergie insuffisante traversent la cellule sans produire d’électricité. Ce sont ces sources de pertes que la plupart des scientifiques du domaine s’efforcent de minimiser, mais il en existe une autre, importante, appelée perte de Boltzmann.

Les pertes de Boltzmann sont dues au fait que les matériaux qui absorbent la lumière peuvent aussi en émettre, et dans une cellule solaire, cette émission est inévitable lors de la conversion d’énergie. Le problème des cellules solaires réside dans la manière dont ce phénomène se produit. Le soleil apparaissant très petit dans le ciel, la lumière solaire atteint la cellule dans un cône de directions très étroit.

La cellule solaire, en revanche, émet dans toutes les directions, sur un large cône qui couvre pratiquement tout l’hémisphère situé au-dessus d’elle. Ce décalage entre le cône étroit de lumière incidente et le large cône de lumière émise se traduit par une réduction du travail utile pouvant être extrait du dispositif.

Une cavité optique limite l’émission de photons

Les chercheurs de l’ICFO, le Dr Francisco Bernal Texca, Chiara Cortese, le Dr Mariia Kramarenko et le Dr Quan Liu, dirigés par le professeur Jordi Martorell de l’ICFO et de l’UPC, ont maintenant trouvé un moyen de réduire expérimentalement les pertes de Boltzmann.

Dans l’étude, publiée dans Energy & Environmental Science , l’équipe a utilisé une cellule solaire organique inversée basée sur le mélange PM6:Y6 et, en convertissant la cellule solaire en une cavité optique, ils ont inhibé l’émission de photons à grands angles, réduisant ainsi le cône d’émission.

« Notre étude représente une avancée significative dans le domaine de la conversion de l’énergie solaire, car elle ouvre une voie totalement inexplorée pour dépasser la limite de Shockley-Queisser », déclare Bernal Texca, premier auteur de l’article. Cette limite d’efficacité, qui tient compte des mécanismes de pertes intrinsèques considérés dans le modèle de Shockley-Queisser, est théoriquement fixée à 33,16 %.

« Si le cône d’émission peut être réduit pour correspondre plus étroitement au cône d’absorption de la lumière solaire incidente, ce que nos travaux démontrent précisément expérimentalement, les cellules solaires pourront, en principe, atteindre des rendements proches de 43 %. »

Jordi Martorell, chercheur principal de l’étude, ajoute que « bien que la voie permettant d’obtenir de tels gains soit démontrée ici dans une cellule solaire organique, le principe sous-jacent n’est pas spécifique aux matériaux organiques et est, en principe, applicable à l’ensemble des technologies photovoltaïques ».

Des électrodes en argent façonnent le cône d’émission

La clé pour réduire le cône d’émission réside dans l’utilisation d’un métal comme électrode frontale, permettant une réflectivité élevée sur une large plage angulaire pour la lumière émise.

Une structure multicouche entoure cette électrode à base d’argent et forme, avec l’électrode d’argent située à l’arrière de la cellule, une cavité optique. Ceci permet d’associer une réflectivité à grand angle, qui réduit efficacement le cône d’émission, à une transmission élevée dans la direction de la lumière solaire incidente.

De plus, « la simplicité de la conception de la cellule à cavité n’introduit aucune complexité de fabrication supplémentaire, contrairement à de nombreuses approches actuellement explorées pour dépasser la limite de Shockley-Queisser », explique Bernal Texca.

Globalement, ce cadre ouvre la voie à une amélioration générale du rendement photovoltaïque, le rapprochant de ses limites théoriques. Selon Jordi Martorell, « l’obtention de rendements plus élevés est essentielle, car elle se traduit directement par un coût par watt plus faible et une utilisation plus efficace des terres et des matériaux pour le déploiement de l’énergie solaire ».

https://www.icfo.eu/news/2709/solar-cells-gain-efficiency-by-emitting-light-in-fewer-directions/140