Une structure dans l'oeil des
mammifères, la fovéa, a inspiré l'équipe de la Silke Christiansen,
directrice de l'Institut pour les Nanomatériaux du Centre Helmholtz
de Berlin pour les matériaux et l'énergie (HZB) ainsi que d'un
groupe de travail de l'Institut Max Planck pour la Science de la
lumière (MPL). L'équipe mixte du HZB et du MPL a ainsi pu concevoir
par biomimétisme un équivalent inorganique pour une utilisation dans
les cellules solaires.
Les chercheurs ont gravé côte à côte des entonnoirs micrométriques
parfaitement verticaux dans un substrat de silicium. En s'appuyant
sur des modèles de calcul ainsi que sur des expérimentations, ils
ont pu tester la façon dont ces champs d'entonnoirs recueillent la
lumière incidente et comment ils la transfèrent dans la couche
active d'une cellule solaire en silicium. Ces nouvelles structures
cônes augmentent ainsi l'absorption de la lumière de 65% par rapport
à un film de silicium de la même épaisseur, ce qui se traduit par
une efficacité accrue du système photovoltaïque complet.
Ces cônes sont inspirés de la fovéa, se situant au milieu de la
tache jaune de la rétine, à l'endroit où les récepteurs lumineux de
l'oeil en forme d'entonnoir ont la plus grande densité. Parce qu'ils
sont tous connectés un à un avec les neurones, nous voyons dans
cette petite zone une image d'une netteté maximale.
Les "entonnoirs de lumière" sont réalisables par les méthodes et
technologies des semi-conducteurs actuels, telles que la gravure par
ions réactifs ou la gravure chimique humide.
Grâce à des modélisations, les chercheurs ont également été capables
d'expliquer pourquoi les champs d'entonnoirs captent mieux la
lumière que des surfaces couvertes de nanopiliers. Des modes
optiques dans la structure des nanopiliers "interfèrent" l'un avec
l'autre, ce qui fait baisser leur efficacité globale par rapport au
même nombre de nanopiliers pris individuellement. L'effet inverse se
produit avec les entonnoirs : une forte densité mène à une
augmentation globale de leur capacité d'absorption individuelle.
L'équipe continue à travailler sur l'amélioration de cellules
solaires fines à base de silicium et veut intégrer les entonnoirs de
lumière dans de nouvelles cellules à faible coût et destinées à la
production de masse. Elle poursuit également ses recherches sur
l'utilisation de la structure d'entonnoir pour d'autres applications
comme les LEDs et les capteurs. D'après Silke Christiansen, les
premiers résultats sont prometteurs et leur utilisation dans un
futur proche est envisageable.
Source :
Learning by eye: silicon micro-funnels increase the efficiency of
solar cells, communiqué de presse du Centre Helmholtz de
Berlin pour les matériaux et l'énergie (HZB).
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