Des structures minuscules comme promesse de gros rendements
Le silicium (Si), qui est le standard actuel de l'industrie photovoltaïque, est limité dans la gamme de longueurs d'ondes qu'il peut «voir» et absorber. Cependant, lorsque la couche de Si est irradiée avec des ions légers, de minuscules structures vidées se forment. Ces nanopoints et nanovides présentent des propriétés électroniques et optiques qui n'avaient pas été explorées jusque-là dans les applications photovoltaïques. Les chercheurs ont lancé le projet NOVOSIP (Nano-voids in strained silicon for plasmonics) pour explorer l'utilisation des nanopoints et des nanovides pour améliorer le rendement des cellules photovoltaïques à base de Si monocristallin. Pour cela, ils ont créé des structures plasmoniques de ce type dans une configuration de dispositif photovoltaïque unique constitué de couches de Si-étain (Sn) et de couches de Si assemblées ensemble. Des nanopoints et des nanovides ont été placés dans la couche émettrice hautement dopée proche de la jonction p-n afin d'étendre les effets de champ proche. Ces effets devraient contribuer à la multiplication des porteurs et améliorer la diffusion de la lumière, qui promettent d'améliorer l'absorption de la lumière solaire. Les chercheurs ont ensuite utilisé différentes méthodes pour étudier les propriétés structurelles, optiques et électroniques de chaque couche. Par irradiation ionique à haute température de la structure Si/SiSn/Si, l'équipe NOVOSIP a obtenu des nanovides sphériques dans des précipités de Sn en couche à l'échelle du nanomètre. Avec une implantation d'ions carbone et un traitement thermique ultérieur, ils ont observé la formation de nanoflocons de carbone. La structure cristalline des flocons a permis l'absorption de toutes les longueurs d'ondes de lumière, augmentant potentiellement le taux de conversion d'énergie. Un concept innovant a également été proposé et démontré pour l'auto-assemblage de nanocoquilles métalliques dans la structure à couches Si/SiSn/Si. Les résultats des études théoriques et des simulations numériques reproduisant les différents effets de la résonance plasmonique ont permis aux chercheurs de distinguer leur contribution aux observations expérimentales. Le travail du projet NOVOSIP, même s'il n'en est qu'à un stade précoce, représente une voie d'avenir prometteuse pour la recherche sur les cellules solaires à base de silicium monocristallin. Les structures plasmoniques minuscules assemblées en couches multiples de silicium ont permis d'améliorer la récolte de la lumière pour un faible coût. De plus, des applications potentielles sont déjà envisagées pour des dispositifs de capteurs de gaz et d'émission de lumière.
Mots‑clés
Cellules photovoltaïques, silicium, nanopoints, nanovides, NOVOSIP, plasmonique, conversion énergétique
