Revêtement de cellules solaires: une absorption quasi parfaite !

Une équipe de chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute, aux Etats-Unis, dirigée par le physicien Shawn Yu Lin, a démontré l'efficacité d'un nouveau revêtement de cellules solaires qui améliore grandement l'absorption de l'énergie lumineuse. Ce revêtement antiréflexion presque parfait absorbe tout le spectre lumineux, des rayons ultraviolets aux infrarouges, et ceci quel que soit l'angle d'incidence.


Une cellule photovoltaïque classique en silicium peut absorber 67,4% de la lumière du soleil qui l'atteint, ce qui signifie que quasiment un tiers de cette lumière est réfléchie et donc irrécupérable. D'un point de vue économique, le potentiel ainsi perdu représente une barrière à la prolifération solaire. Pour récupérer tous les photons du spectre solaire, il faut faire en sorte que la réflexion des rayons incidents (réflexion Fresnel) à la surface d'une cellule solaire soit éliminée. Le revêtement nanostructuré multicouches conçu par l'équipe du Rensselaer Polytechnic Institute permet l'absorption quasi totale (96,21%) de l'énergie lumineuse qui atteint sa surface, et ceci pour toutes les longueurs d'ondes du spectre: l'équipe de chercheurs a mesuré une réflexion Fresnel allant de seulement 1% à 6%, sur le spectre 400nm à 1600nm. Le revêtement de Lin absorbe plus de 95% de la lumière sous une plage angulaire (par rapport à la normale au revêtement) de 0 à 60°, soit un cône de 120°.

Le revêtement est composé de sept couches nanostructurées pour s'approcher d'un profil d'indice de réfraction continu: le contrôle précis de la porosité de ces différentes couches permet d'atteindre des indices de réfraction allant de n=1.09 à n=2.6, comme on peut le voir sur l'image prise au microscope à balayage électronique. Chaque couche a une épaisseur particulière, les couches inférieures étant les plus fines et ayant l'indice de réfraction le plus élevé, respectivement entre 69 nm et 156 nm d'épaisseur et entre n=2.6 et n=1.09 d'indice. Les deux couches inférieures sont en dioxyde de Titane (TiO2). Les trois couches centrales sont une combinaison de dioxyde de Silicium (SiO2) et de TiO2 pour ajuster l'indice de réfraction. Les deux couches supérieures sont faites de nano-bâtons obliques de SiO2, accrochés au substrat par dépôt chimique en phase vapeur. En effet, l'équipe démontre que le gradient d'indice et les bâtons obliques de la dernière couche permettent de minimiser drastiquement la réflexion Fresnel pour toutes les longueurs d'ondes et angles d'incidences, ce qui diffère totalement des traditionnels revêtements antiréflexion quart d'ondes.

D'après Shawn Lin, ce nouveau revêtement peut être appliqué à presque tous les matériaux photovoltaïques, y compris les multijonctions III-V et Cadmium Telluride même s'il reste à en améliorer la robustesse. Néanmoins, les résultats obtenus sont prometteurs: l'efficacité de conversion a été améliorée de 22,2% entre un revêtement classique quart d'onde et le revêtement sept couches avec gradient d'indice.