Les chercheurs ont mis au point un nouveau type d'alliage semi-conducteur capable de capturer la lumière proche infrarouge située en bordure du spectre de la lumière visible.

Plus facile à fabriquer et au moins 25 moins coûteux que les formulations précédentes, il est considéré comme le matériau le plus rentable au monde capable de capter la lumière infrarouge et est compatible avec les semi-conducteurs à l'arséniure de gallium souvent utilisés dans les concentrateurs photovoltaïques.

«Les cellules photovoltaïques à concentrateur pourraient alimenter la prochaine génération.» Les cellules photovoltaïques à concentration rassemblent et concentrent la lumière du soleil sur de petites cellules solaires à haut rendement constituées d'arséniure de gallium ou de semiconducteurs au germanium. Ils sont sur la bonne voie pour atteindre des taux d'efficacité supérieurs à 50%, tandis que les cellules solaires classiques à base de silicium à panneau plat atteignent leur paroxysme au milieu des 20.

«Le silicium plat est essentiellement optimisé en termes d'efficacité», explique Rachel Goldman, professeur de science des matériaux et d'ingénierie, ainsi que de physique à l'Université du Michigan, dont le laboratoire a développé l'alliage. "Le coût du silicium ne diminue pas et l'efficacité ne s'améliore pas. Le photovoltaïque à concentrateur pourrait alimenter la prochaine génération. "

Des variétés de concentrateurs photovoltaïques existent aujourd'hui. Ils sont constitués de trois alliages semiconducteurs différents disposés ensemble. Pulvérisé sur une plaquette de semi-conducteur dans un processus appelé épitaxie à faisceau moléculaire - un peu comme la peinture par pulvérisation avec des éléments individuels - chaque couche est seulement de quelques microns d'épaisseur. Les couches capturent différentes parties du spectre solaire; la lumière qui traverse une couche est capturée par la suivante.

Mais la lumière infrarouge proche glisse à travers ces cellules dételées. Pendant des années, les chercheurs ont travaillé sur un alliage «quatrième couche» insaisissable qui pourrait être pris en sandwich dans les cellules pour capturer cette lumière. C'est un grand ordre. l'alliage doit être rentable, stable, durable et sensible à la lumière infrarouge, avec une structure atomique qui correspond aux trois autres couches de la cellule solaire.

Il n'est pas facile d'obtenir toutes ces variables, et jusqu'à maintenant, les chercheurs se sont retrouvés avec des formules excessivement coûteuses qui utilisent cinq éléments ou plus.

Pour trouver un mélange plus simple, l'équipe de Goldman a conçu une nouvelle approche pour garder un œil sur les nombreuses variables du processus. Ils ont combiné les méthodes de mesure sur le terrain, y compris la diffraction des rayons X à l'université et l'analyse par faisceaux d'ions réalisée au Laboratoire national de Los Alamos avec une modélisation informatique sur mesure.

En utilisant cette méthode, ils ont découvert qu'un type légèrement différent de molécule d'arsenic serait plus efficace avec le bismuth. Ils ont été en mesure de modifier la quantité d'azote et de bismuth dans le mélange, ce qui leur a permis d'éliminer une étape de fabrication supplémentaire que nécessitaient les formules précédentes. Et ils ont trouvé précisément la bonne température qui permettrait aux éléments de se mélanger en douceur et de coller au substrat en toute sécurité.

"" Magic "n'est pas un mot que nous utilisons souvent comme scientifiques des matériaux", explique Goldman. "Mais c'est ce que nous ressentions quand nous avons finalement réussi."

Cette avancée fait suite à une autre innovation du laboratoire de Goldman qui simplifie le processus de «dopage» utilisé pour modifier les propriétés électriques des couches chimiques des semiconducteurs à l'arséniure de gallium.

Pendant le dopage, les fabricants appliquent un mélange de produits chimiques appelés «impuretés de conception» pour modifier la façon dont les semi-conducteurs conduisent l'électricité et leur donner une polarité positive et négative similaire à celle des électrodes d'une batterie. Les dopants habituellement utilisés pour les semi-conducteurs à l'arséniure de gallium sont le silicium du côté négatif et le béryllium du côté positif.

Le béryllium est un problème: il est toxique et coûte environ 10 de plus que les dopants au silicium. Le béryllium est également sensible à la chaleur, ce qui limite la flexibilité pendant le processus de fabrication. Mais l'équipe a découvert qu'en réduisant la quantité d'arsenic en dessous des niveaux qui étaient auparavant considérés comme acceptables, ils peuvent "renverser" la polarité des dopants de silicium, leur permettant d'utiliser l'élément moins cher et plus sûr pour les côtés positifs et négatifs.

"Etre capable de changer la polarité du porteur est un peu comme l'ambidextrie atomique" ", explique Richard Field, un ancien étudiant au doctorat qui a travaillé sur le projet. "Tout comme les personnes ayant une ambidextrie née naturellement, il est assez rare de trouver des impuretés atomiques avec cette capacité."

Ensemble, le processus de dopage amélioré et le nouvel alliage pourraient rendre les semi-conducteurs utilisés dans le photovoltaïque à concentrateur autant que 30 pour cent moins coûteux à produire, un grand pas vers la fabrication de cellules à haut rendement pour la production d'électricité à grande échelle.

"Essentiellement, cela nous permet de fabriquer ces semi-conducteurs avec moins de bombes atomiques, et chaque boîte est nettement moins chère", explique Goldman. "Dans le monde de la fabrication, ce genre de simplification est très important. Ces nouveaux alliages et dopants sont également plus stables, ce qui donne plus de flexibilité aux fabricants à mesure que les semi-conducteurs progressent dans le processus de fabrication. "

Le nouvel alliage est détaillé dans un article paru dans la revue Applied Physics Letters. La National Science Foundation et le Bureau des études supérieures des étudiants en sciences du ministère de l'Énergie des États-Unis ont appuyé la recherche.

La source: Université du Michigan

Livres connexes:

at Marché InnerSelf et Amazon