Cellules solaires : Une couche de trois cristaux produit mille fois plus d’énergie

L’effet photovoltaïque des cristaux ferroélectriques peut être multiplié par 1 000 si trois matériaux différents sont disposés périodiquement dans un réseau. C’est ce que révèle une étude menée par des chercheurs de l’université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU). Ils y sont parvenus en créant des couches cristallines de titanate de baryum, de titanate de strontium et de titanate de calcium qu’ils ont placées alternativement les unes sur les autres. Leurs résultats, qui pourraient augmenter considérablement l’efficacité des cellules solaires, ont été publiés dans la revue Science Advances.

Les cristaux électriques ne nécessitent pas de jonction pn pour créer l’effet photovoltaïque, autrement dit, pas de couches dopées positivement et négativement. La production des panneaux solaires s’en trouve grandement facilitée.

Cependant, le titanate de baryum pur n’absorbe pas beaucoup la lumière du soleil et génère donc un photocourant relativement faible. Les dernières recherches ont montré que la combinaison de couches extrêmement fines de différents matériaux augmente considérablement le rendement de l’énergie solaire. « L’important ici est qu’un matériau ferroélectrique soit alterné avec un matériau paraélectrique. Bien que ce dernier ne présente pas de charges séparées, il peut devenir ferroélectrique dans certaines conditions, par exemple à basse température ou lorsque sa structure chimique est légèrement modifiée« , explique Bhatnagar.

Le groupe de recherche de Bhatnagar a découvert que l’effet photovoltaïque est grandement amélioré si la couche ferroélectrique alterne non seulement avec une, mais avec deux couches paraélectriques différentes. Yeseul Yun, doctorant à l’UML et premier auteur de l’étude, explique : « Nous avons incorporé le titanate de baryum entre le titanate de strontium et le titanate de calcium. Pour ce faire, nous avons vaporisé les cristaux à l’aide d’un laser à haute puissance et les avons redéposés sur des substrats porteurs. On a ainsi obtenu un matériau composé de 500 couches d’une épaisseur d’environ 200 nanomètres. »

Pour effectuer les mesures photoélectriques, le nouveau matériau a été irradié par une lumière laser. Le résultat a surpris même le groupe de recherche : par rapport au titanate de baryum pur d’une épaisseur similaire, le flux de courant était jusqu’à 1 000 fois plus fort – et ce malgré le fait que la proportion de titanate de baryum comme principal composant photoélectrique ait été réduite de près de deux tiers. « L’interaction entre les couches du réseau semble conduire à une permittivité beaucoup plus élevée – en d’autres termes, les électrons peuvent circuler beaucoup plus facilement en raison de l’excitation par les photons lumineux« , explique Akash Bhatnagar. Les mesures ont également montré que cet effet est très robuste : il est resté presque constant sur une période de six mois.

D’autres recherches doivent maintenant être menées pour découvrir la cause exacte de cet effet photoélectrique exceptionnel. Bhatnagar est convaincu que le potentiel démontré par le nouveau concept peut être utilisé pour des applications pratiques dans les panneaux solaires. « La structure en couches présente un rendement plus élevé dans toutes les plages de température que les ferroélectriques purs. Les cristaux sont également nettement plus durables et ne nécessitent pas de conditionnement particulier.« 

L’étude a été soutenue par le ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche (BMBF), la Deutsche Forschungsgemeinschaft (Fondation allemande pour la recherche, DFG) et avec le financement du Fonds européen de développement régional (FEDER).

Étude : Yun, Y., Mühlenbein, L., Knoche, D.S., Lotnyk, A., Bhatnagar, A. Strongly enhanced and tunable photovoltaic effect in ferroelectric-paraelectric superlattices. Science Advances (2021). DOI : 10.1126/sciadv.abe4206 https://advances.sciencemag.org/content/7/23/eabe4206

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