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Cellules solaires ultrafines : vers le photovoltaïque de demain

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Elles sont un pilier de notre transition énergétique.
Les cellules solaires…capables de capter la lumière du soleil et de la convertir en électricité.
L’agence internationale de l’énergie espère qu’elles généreront un cinquième de notre consommation électrique d’ici 2030.
Mais les cellules actuelles, à base de silicium, sont encore épaisses et rigides. Pour accélérer le développement du photovoltaïque, il faudrait les amincir, les rendre flexibles et moins coûteuses.
Au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies à Palaiseau, deux physiciens viennent de proposer une solution basée sur un miroir nanostructuré. Pour cela, ils ont utilisé un matériau modèle : l’arséniure de Gallium.
Stéphane Collin et Andrea Cattoni ont réussi à créer une cellule solaire ultrafine, 1000 fois plus minces que les cellules commerciales en silicium, sans perte d’absorption de lumière.
Pour comprendre comment ils ont réussi à créer une telle cellule, il faut se rendre dans leur laboratoire en salle blanche. Ici, c’est tenue de protection obligatoire.
Andréa Cattoni
« La salle blanche est sensée avoir un très faible taux de particules par mètre cube, autrement les particules vont se déposer sur la surface de notre échantillon »
Pour mettre au point ces nouvelles cellules solaires, Stéphane Collin et Andrea Cattoni travaillent à l’échelle du nanomètre, soit un millionième de millimètre.
Les chercheurs vont procéder en deux étapes.
Il faut d’abord construire la couche que la lumière viendra frapper.
Une plaque composée de matériaux cristallins appelés semi-conducteurs. C’est elle qui absorbera les photons, les particules de lumière.
Sur la face arrière, un miroir formé d’un réseau nanoscopique permet de guider la lumière à l’intérieur de la cellule. Pour le fabriquer, les chercheurs structurent la matière à l’aide d’une technologie d’impression ultra-précise et d’un moule flexible.
Andréa Cattoni
« C’est un polymère assez souple, dans lequel il y a des nanostructures. Vous voyez peut-être la diffraction. »
Stéphane Collin
« Ça va permettre de diffracter la lumière, c’est-à-dire de renvoyer la lumière qui va frapper la face arrière de la cellule solaire dans toutes les directions, et en fait dans des directions privilégiées qu’on a calculées avant dans la simulation optique. »
Car si on ne fait rien, la cellule élaborée par les physiciens, plus fine que les cellules solaires habituelles, ne peut pas absorber autant de lumière.
Alors pour conserver le rendement, ils ont conçu un piège… pour que la lumière reste plus longtemps dans la cellule.
Stéphane Collin
« A partir de là, la lumière incidente va également parcourir une fois l’épaisseur de la cellule et ensuite elle va être réfléchie, mais dans des angles bien particuliers, c’est le phénomène de diffraction. Et ces angles, on peut les contrôler parfaitement, grâce à cette structuration périodique. Et à ce moment-là on va s’arranger pour avoir des angles qui vont correspondre à un piégeage parfait de la lumière, c’est-à-dire que tous les photons qui sont réfléchis vont ici être totalement réfléchis quand ils arrivent sur la face avant et donc ils vont pouvoir faire beaucoup d’allers-retours et être absorbés beaucoup plus efficacement. »
Cette application, basée sur un principe bien connu de la physique, permet de conserver les photons pour piéger toutes les longueurs d’ondes du spectre de la lumière solaire, du bleu au rouge.
STEPHANE Collin
« Le principe qu’on utilise pour capturer la lumière, c’est un phénomène de résonnance. On arrive à obliger la lumière à faire des allers-retours à l’intérieur de l’absorbeur, de sorte que la lumière n’arrive plus à ressortir et qu’elle va au final être complètement absorbée. Alors on parvient à faire ça pour certaines longueurs d’ondes bien déterminées, qui correspondent à plusieurs couleurs de la lumière solaire et en choisissant un très grand nombre de couleurs, on arrive à avoir cet effet sur toute la gamme spectrale de la lumière du soleil. Donc on arrive à couvrir toute la lumière du soleil et à absorber, renforcer, augmenter l’absorption de la lumière sur une très grande gamme spectrale. »
Des cellules plus fines, une chaîne de production moins coûteuse…Et surtout offrant de nouvelles perspectives.
Stéphane Collin
« Un autre avantage des cellules solaires ultrafines c’est que ce sont des cellules solaires flexibles et ça, ça va ouvrir le champ des applications photovoltaïques à de nouvelles applications. Par exemple, on va pouvoir beaucoup plus facilement mettre des panneaux photovoltaïques sur des voitures, sur des drones ou sur n’importe quel objet de la mobilité. »
Andrea Cattoni
« Si elles sont flexibles, on peut remplacer le verre qui est notamment utilisé dans la filière couche-mince avec par exemple de l’acier, ce qui permet d’avoir des cellules flexibles et très légères et ça, ça permet de réduire énormément les coûts d’installation et de transports. »
Cette découverte, prometteuse à long terme pour toutes les applications du photovoltaïque, peut toucher rapidement l’industrie spatiale.

Les satellites et vaisseaux utilisent les panneaux solaires pour alimenter leurs systèmes.
Les satellites seront plus légers mais aussi moins sensibles au rayonnement cosmique, grâce à la plus grande tolérance des cellules solaires ultrafines.
Et demain pourquoi pas, grâce à la flexibilité de ces cellules, étendre les possibilités d’utilisation du photovoltaïque à de nouveaux domaines.
 
FIN

Cellules solaires ultrafines : vers le photovoltaïque de demain

24.02.2021

Des cellules solaires flexibles et mille fois plus fines que les cellules du commerce en silicium, et ce avec le même rendement : c’est la prouesse de deux chercheurs du CNRS qui ont mis au point un piège pour « capturer » la lumière. A la clé, des applications sur des objets mobiles qui pourraient changer notre quotidien, comme ils l’expliquent dans ce reportage diffusé avec Le Monde.

À propos de cette vidéo
Titre original :
Cellules solaires ultrafines : vers le photovoltaïque de demain
Année de production :
2021
Durée :
5 min 42
Réalisateur :
Matthias Somm
Producteur :
CNRS Images
Intervenant(s) :
Stéphane Collin - CNRS
Andrea Cattoni- CNRS
 
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N)
CNRS / Université Paris-Saclay
Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF)
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