Biomimétisme : un micro entonnoir en silicium inspiré des yeux augmente l’efficacité des cellules solaires
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.
The scanning electron microscopies (SEM) show how regularly the funnels etched in a silicon substrate are arranged (left: the line segment = 5 microns; right: 1 micron). The funnels measure about 800 nanometres in diameter above and run down to about a hundred nanometres at the tip.
Crédits : Credit: S. Schmitt / MPL
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.
The simulation shows how the concentration of light (red = high concentration, yellow= low concentration) rises in the funnels with declining diameter of the lower end of the funnel.
Credit: G. Shalev, S. Schmitt/MPL
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 [1]. 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.
Pour en savoir plus, contacts :
– [1] Voir à ce sujet la publication de l’étude dans Nature Scientific Reports: Enhanced photovoltaics inspired by the fovea centralis, Gil Shalev, Sebastian W. Schmitt et al. Teamleader: Silke Christiansen, February 24th, Scientific Reports 5, Article number: 8570, doi:10.1038/srep08570 – http://www.nature.com/srep/2015/150224/srep08570/full/srep08570.html
– Pr. Silke Christiansen, chef du projet, Centre Helmholtz de Berlin pour les matériaux et l’énergie – email : silke.christiansen@helmholtz-berlin.de
Sources :
« Vom Auge abgeschaut: Mikrotrichter aus Silizium erhöhen die Effizienz von Solarzellen », communiqué de presse du Centre Helmholtz de Berlin pour les matériaux et l’énergie (HZB), 24/02/2015 – http://redirectix.bulletins-electroniques.com/W3Vj6
Rédacteur :
Daniela Niethammer, daniela.niethammer@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr/
Origine : BE Allemagne numéro 694 (12/03/2015) – Ambassade de France en Allemagne / ADIT – http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/78112.htm