De nouvelles cellules solaires 3D ultra performantes

L’énergie solaire, c’est bien. Mais le coût assez élevé des panneaux et leur efficacité somme toute modeste, les rendent presque anecdotiques dans la vie courante. Néanmoins, tout progrès de cette technologie est le bienvenu et nul doute que passé un certain seuil de rendement, cette énergie deviendra omniprésente. Dans cette optique, l’approche de Solar 3D est très intéressante et très prometteuse.

Le Blue Earth, le téléphone solaire de Samsung

L’autonomie de nos gadgets est de plus en plus grande. Certaines tablettes particulièrement économiques peuvent n’être rechargées qu’une fois par semaine ; même si la plupart du temps les geeks que nous sommes épuisent leurs téléphones en deux jours.

Est-ce que ça ne serait pas génial de ne plus avoir à recharger nos appareils du tout ?

Ça serait possible s’ils étaient munis de capteurs solaires suffisamment efficaces. Ils pourraient alors se recharger tout au long de la journée, en permanence.

Bien sûr, les cellules solaires existent depuis longtemps, et certains téléphones mobiles en sont déjà équipés. De même, la piste du rechargement solaire est explorée pour les tablettes à destination des enfants et des étudiants dans certains pays en développement (Inde, Afrique, etc.).

Mais jusqu’à présent, le rechargement solaire était au mieux une solution d’appoint. La faute à des capteurs dont le rendement n’est pas excellent.

Les meilleurs capteurs théoriques en silicium polycristallin auraient un rendement de 30 %. Dans la pratique on ne dépasse jamais les 19 %. De plus, les capteurs n’atteignent leur efficacité maximale que lorsque le soleil est au zénith, ou plus généralement quand les rayons lumineux leur sont perpendiculaires.

Une jeune entreprise vient d’annoncer une évolution de taille dans ce domaine. Solar 3D a présenté un prototype de cellules solaires deux fois plus efficace que les meilleures cellules actuelles. Les améliorations apportées aux composants sont de deux types :

• Haute efficacité grâce à des microstructures 3D.
• Grand-angle de collecte des rayons lumineux.

En effet, au plus les rayons sont « rasant », au moins le panneau est efficace. Ainsi, les panneaux solaires sont souvent pratiquement inutiles à l’aurore, au crépuscule, et ils sont moins efficaces en hiver.

Afin d’améliorer ça et de procurer aux cellules une bonne efficacité tout au long de la journée, Solar 3D rajoute une couche qui augmente l’angle de collecte des photons incidents.

Une idée lumineuse

Une cellule solaire est principalement faite d’un matériau semi-conducteur. C’est-à-dire qu’il peut être conducteur ou isolant selon l’énergie qu’on lui procure. Mais les quantités d’énergie dont il a besoin pour passer d’un état à un autre sont très précises et correspondent à ce qu’on appelle ses « bandes d’énergie ».

Quand le matériau est frappé par un photon (une « particule de lumière »), si ce dernier a une énergie compatible avec le semi-conducteur, il peut exciter un électron de sa bande de valence. Les électrons de la bande de « valence » sont les plus éloignés du noyau et donc les plus susceptible de s’échapper facilement. Si un tel électron est excité, il s’échappe et crée un trou positif à sa position initiale. La nature ayant horreur du vide, ce trou va bien vite être comblé par un autre électron… venu d’un autre atome. Cet électron, remplaçant l’ancien, aura lui-même créé un vide qui sera comblé par encore un autre électron, et ainsi de suite… Globalement, on se retrouve ainsi avec un mouvement de charges : c’est un courant électrique.

A son entrée dans la région d’absorption, le photon excite un électron qui initie une réaction en chaîne. Elle doit se propager jusqu'à l'électrode du bas. Un courant va alors se créer entre les deux électrodes.

C’est ainsi que tous les panneaux solaires convertissent de la lumière en électricité. Mais le courant créé ne peut être utilisé que s’il atteint une électrode. Si la distance à parcourir est trop importante, l’électron peut être réabsorbé avant de l’avoir atteinte et le courant est perdu.

Pour éviter cela, Solar 3D remplace les cellules traditionnelles plates par de petites cuvettes qui, par réflexions successives, amènent le photon vers une petite cavité sphérique. Une électrode recouvre cette petite cavité où le photon est piégé et rebondit jusqu’à être absorbé.

Les photons sont recueillis dans de petits collecteurs en 3D.

Enfin, les pistes métalliques utilisées pour acheminer le courant vers l’extérieur (et finalement, vers les batteries), sont souvent sur la surface des panneaux traditionnels et bloquent une partie de la lumière. Dans le cas des cellules de Solar 3D, elles sont sous la surface, améliorant encore leur rendement.

En fin de compte, Solar 3D estime que ses nouveaux panneaux solaires sont deux fois plus efficaces que les meilleurs panneaux standards en silicium polycristallin.

Un prototye de "cuvette" sur un wafer de silicium

Concernant le coût de production, qui est un argument conditionnant souvent le succès d’une technologie, Solar 3D assurant que les techniques de fabrication habituelles pourront être utilisées (actuellement, celle de Panasonic). La production de masse pourrait ainsi démarrer rapidement et à des coûts relativement bas.

Bien au-delà de nos gadgets, l’impact potentiel des panneaux solaires de Solar 3D est immense. Le soleil étant l’énergie renouvelable par excellence, les panneaux solaires peu chers et ultra performants sont d’une importance cruciale dans l’optique d’un développement durable.