La cellule solaire transparente
Des fenêtres offrant une vue sur le jardin et produisant de l’électricité en même temps ; des façades de la maison utilisant l’énergie solaire pour approvisionner les habitants avec de l’électricité : voilà à quoi pourrait ressembler l’approvisionnement domestique en électricité dans le futur. Si les panneaux solaires étaient transparents, ils pourraient facilement être intégrés à des fenêtres et des façades de bâtiments : la surface susceptible d’être utilisée pour produire de l’énergie augmenterait alors considérablement.
Une modélisation physique réalisée par les chercheurs de l’Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux (IWM, [1]), travaillant en collaboration avec d’autres instituts Fraunhofer dans le cadre du projet commun METCO [2], vise à développer des matériaux adéquats pour un équipement électronique transparent et à créer par la suite la base pour des cellules solaires, elles-mêmes transparentes.
Pour réaliser des cellules solaires et équipements électroniques transparents, deux couches transparentes différentes seraient requises : une pour conduire l’électricité via des électrons, les semi-conducteurs de type N, et l’autre dans laquelle ce sont les lacunes électroniques qui permettent le flux électrique, les semi-conducteurs de type P. Pour produire ces couches, les ingénieurs dopent [3] les matériaux de base avec d’autres atomes. En fonction des atomes qu’ils utilisent, ils obtiennent des couches possédant des propriétés conductrices différentes. Les matériaux transparents semi-conducteurs de type N sont à la pointe de la technologie, mais les semi-conducteurs de type P sont problématiques : leur conductivité est faible, et leur transparence est souvent pauvre. Les fabricants ont besoin d’un matériau de base transparent, pouvant subir à la fois un dopage P et N [4].
Actuellement, un oxyde d’étain à l’indium est utilisé principalement pour les semi-conducteurs de type N, mais cette technique a un coût non négligeable : l’indium est devenu un matériau rare, et son prix s’est multiplié par dix depuis 2002. 
La recherche de matériaux de substitution bat ainsi son plein. Les questions demeurent multiples : quels matériaux conviendraient le mieux, comment pourraient-ils être dopés pour obtenir une bonne conductivité, quelle est la qualité de leur transparence ? Les chercheurs de l’IWM ont développé des modèles physiques de matériaux et des méthodes facilitant la recherche. « Si des semi-conducteurs de type P transparents avec une conductivité adéquate pouvaient être fabriqués, il serait possible de réaliser un équipement électronique complètement transparent », selon Dr. Wolfgang Körner, chercheur à l’IWM. En utilisant des images obtenues au microscope électronique, les chercheurs déterminent au préalable les contours du grain qui apparaissent le plus fréquemment dans le matériau – c’est-à-dire des irrégularités dans la structure du cristal ordonné. Puis ces défauts de structure sont modélisés atome par atome. Des méthodes de simulation spécifique permettent ensuite aux chercheurs de calculer comment les électrons sont distribués dans les structures et ensuite dans le corps solide. Les chercheurs extraient de ces données la caractérisation de la conductivité et de la transparence du matériau. « Nous avons par exemple découvert que le phosphore convient pour un dopage-P de l’oxyde de zinc, mais que le nitrogène est plus prometteur », selon M. Körner.
- [1] Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM
- [2] METCO : faisabilité et évaluation de systèmes de couches minces transparents et conducteurs d’électricité avec des couches de semi-conducteurs oxydantes (Machbarkeit und Evaluierung transparenter und elektrisch leitfähiger Dünnfilmsysteme mit oxidischen Halbleiterschichten)
- [4] Il existe deux types de dopage : le dopage de type N, qui consiste à produire un excès d’électrons, qui sont chargés négativement ; le dopage de type P, qui consiste à produire un déficit d’électrons, donc un excès de lacunes, considérées comme positivement chargées.
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Posté par Michael
le 11 juin 2009 inséré dans Energie, Technologie.
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