Une cellule solaire émettrice de lumière serait encore plus efficace !

Afin de produire une quantité d’énergie optimale, les cellules solaires sont généralement conçues pour absorber le maximum de lumière possible ; Cependant, des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley, ont démontré un concept paradoxal : ces cellules devraient ressembler davantage aux LEDs, à la fois capables d’émettre et d’absorber la lumière du soleil.

"Nous avons démontré que le mieux pour une cellule solaire était d’émettre des photons, car plus sa tension était élevée et plus grand était sa capacité à produire de l’énergie", a expliqué Eli Yablonovitch, chercheur principal et professeur de génie électrique à l’UC Berkeley.

Depuis 1961, les scientifiques savent que, dans des conditions idéales, il y a une limite à la quantité d’énergie électrique qui pourrait être convertie à partir de la lumière du soleil frappant une cellule solaire. Théoriquement, cette limite est de 33,5% environ. Cela signifie qu’au plus, 33,5% de l’énergie des photons entrants seront absorbés et convertis en énergie électrique utile.

Pourtant, pendant 5 décennies, les chercheurs ont été dans l’incapacité de se rapprocher au plus près de cette efficacité : à partir de 2010, le plus haut rendement obtenu était un peu plus de 26%. Ce taux concerne les cellules solaires à simple jonction (couche unique) qui absorbent les ondes lumineuses au-dessus d’une fréquence bien spécifique. A contrario, les cellules dit "Multi-jonctions", qui possèdent comme son nom l’indique plusieurs couches, sont en mesure d’absorber des ondes différentes et donc d’atteindre des rendements plus élevés.

L’équipe du Pr. Yablonovitch a donc essayé de comprendre pourquoi il y avait un tel écart entre la limite théorique et celle que les chercheurs ont pu effectivement réaliser. Lorsqu’ils se sont penchés sur la question, "une image cohérente a émergé" a indiqué Owen Miller, étudiant diplômé de Berkeley et membre du projet de recherche. Ils ont trouvé une solution relativement simple, basée sur un lien mathématique entre l’absorption et l’émission de lumière.

"Fondamentalement, c’est parce qu’il y a un lien thermodynamique entre l’absorption et l’émission," a précisé O. Miller. Concevoir des cellules solaires qui émettent de la lumière – de sorte que les photons ne soient pas ‘perdus’ dans une cellule – a pour effet naturel d’augmenter la tension produite par la cellule solaire. "Si vous avez une cellule solaire émettrice de lumière, alors elle produira également une tension plus élevée, qui à son tour augmentera la quantité d’énergie électrique provenant de la cellule pour chaque parcelle de la lumière du soleil."

La théorie qui veut que l’émission de lumière et la tension vont de pair n’est pas nouvelle. Mais l’idée n’avait jamais été pris en considération dans la conception de cellules solaires avant aujourd’hui, a reconnu O. Miller.

L’année dernière, une société du nom de Devices Alta, co-fondée par Yablonovitch, a utilisé ce nouveau concept pour créer un prototype de cellule solaire en arséniure de gallium (GaAs), un matériau couramment utilisé pour fabriquer des cellules solaires spécialisées à destination des satellites.

Selon Devices Alta, le prototype a battu un record, passant de 26% à 28,3% d’efficacité. La société a réalisé cette étape, grâce en partie, par la conception même de la cellule permettant à la lumière de s’échapper aussi facilement de la cellule – en utilisant des techniques comprenant par exemple, l’augmentation de la réflectivité de la face arrière, qui renvoie des photons entrants vers la face avant du dispositif.

Les cellules solaires produisent de l’électricité lorsque les photons frappent le matériau semi-conducteur de la cellule. L’énergie des photons casse les électrons libérés à partir de ce matériau, ce qui permet aux électrons de circuler librement. Mais ce processus a la capacité de générer de nouveaux photons, par le phénomène appelé luminescence. L’idée derrière la conception de cette nouvelle cellule solaire reste que ces nouveaux photons – qui ne viennent donc pas directement du Soleil – devraient être libérés de la cellule le plus facilement possible.

"La première réaction qui vient à l’esprit est : pourquoi faudrait t-il aider cette évasion de photons ?" a indiqué Owen Miller. "Puisque vous ne voulez pas garder ces photons dans la cellule, peut-être qu’ils pourraient créer plus d’électrons ?" Cependant, d’un point de vue mathématique, en autorisant les nouveaux photons à se libérer, cela a pour effet d’accroître la tension électrique que la cellule est en mesure de récupérer.

Le Pr. Yablonovitch espère que les chercheurs seront capables d’utiliser cette technique pour réaliser des taux d’efficacité proche de 30% dans les années à venir. Et puisque leurs travaux de recherche s’appliquent à tous types de cellules solaires, les résultats auront forcément une implication dans le domaine.