Pourquoi les cellules solaires en sulfure d'étain, un matériau prometteur et écologique, peinent-elles à atteindre leur plein potentiel théorique ? Cette interrogation préoccupe les scientifiques depuis longtemps, alors que ces dispositifs pourraient constituer une alternative économique et durable au silicium conventionnel.
Les difficultés se concentrent principalement au niveau de l'interface entre la couche qui capte la lumière et l'électrode métallique à l'arrière. À cet endroit précis, des défauts microscopiques, des réactions chimiques indésirables et la migration d'atomes perturbent la circulation des charges électriques. Par conséquent, ces perturbations limitent considérablement la capacité de la cellule à convertir la lumière du soleil en électricité utilisable.
Schéma illustrant comment l'intercouche d'oxyde de germanium améliore la structure et les performances de la cellule solaire.
Crédit: Prof. Jaeyeong Heo, Université nationale de Chonnam Heureusement, une équipe de l'Université nationale de Chonnam en Corée du Sud a découvert une piste intéressante pour résoudre ce problème. Leur approche consiste à insérer une couche extrêmement fine d'oxyde de germanium, d'à peine 7 nanomètres d'épaisseur, entre le contact en molybdène et la couche active en sulfure d'étain. Ce film nanométrique agit comme un bouclier multifonction à l'échelle atomique.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé un procédé de dépôt en phase vapeur, une méthode compatible avec une production à plus grande échelle. Selon le professeur Jaeyeong Heo, cette fine intercouche permet de bloquer la diffusion d'impuretés, d'empêcher la formation de composés résistifs et de réduire les défauts dans le matériau. En résultat, ces améliorations conduisent à une structure plus homogène et à un transport de charge plus efficace.
Les résultats publiés dans la revue
Small confirment une nette progression. En effet, l'efficacité de conversion de puissance est passée de 3,71% pour les cellules standard à 4,81% avec la nouvelle architecture, soit une amélioration de près de 30% ! Cette avancée représente l'une des valeurs les plus élevées jamais enregistrées pour des cellules solaires à base de sulfure d'étain fabriquées par cette technique.
Cette maîtrise de l'interface métal/semi-conducteur pourrait avoir des retombées bien au-delà du seul domaine photovoltaïque. Par exemple, elle pourrait bénéficier à d'autres technologies comme les transistors à couche mince, les dispositifs thermoelectriques ou les capteurs, où la qualité du contact est primordiale pour les performances globales. Ce travail ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour le développement de composants électroniques avancés.
Le fonctionnement d'une cellule solaire à couche mince
Contrairement aux panneaux classiques en silicium cristallin, les cellules solaires à couche mince se distinguent par leur épaisseur réduite, souvent inférieure au micromètre. Leur fabrication repose sur le dépôt de fines couches de matériaux photovoltaïques sur un substrat en verre, plastique ou métal. Cette approche autorise une production plus rapide et moins énergivore, avec une utilisation moindre de matière première.
Leur principe de base demeure la conversion de la lumière en électricité via l'effet photovoltaïque. Lorsque les photons de la lumière solaire frappent le matériau semi-conducteur, ils libèrent des électrons, créant un courant électrique. Néanmoins, la finesse des couches exige une grande précision dans la fabrication pour éviter les pertes d'énergie.
Parmi les matériaux utilisés, on trouve le tellurure de cadmium ou le silicium amorphe. Le sulfure d'étain attire l'attention pour son abondance et son absence de toxicité. Ces cellules sont particulièrement adaptées aux applications nécessitant de la flexibilité ou une intégration discrète, comme sur les bâtiments ou les objets connectés.