L’effet photovoltaïque des cristaux ferroélectriques peut être augmenté d’un facteur 1 000 si trois matériaux différents sont agencés périodiquement dans un réseau. C’est ce qu’a révélé une étude menée par des chercheurs de l’Université Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU).
Ils y sont parvenus en créant des couches cristallines de titanate de baryum, de titanate de strontium et de titanate de calcium qu’ils ont alternativement superposées. Leurs découvertes, qui pourraient augmenter considérablement l’efficacité des cellules solaires, ont été publiées dans la revue « Science Advances ».
Ces chercheurs de l’Université Martin-Luther de Halle-Wittemberg (Allemagne) ont mis au point une nouvelle technologie de panneaux solaires à la puissance décuplée.
Alors que la plupart des panneaux solaires actuellement utilisés reposent sur une technologie basée sur le silicium, des chercheurs de l’Université Martin-Luther de Halle-Wittemberg (Allemagne) ont trouvé une alternative qui pourrait révolutionner le marché. Car leurs cellules photovoltaïques se révèlent 1 000 fois plus puissantes. Une nouvelle avancée alors même que des scientifiques du MIT ont, eux, mis au point des panneaux plus fins qu’une feuille de papier.
Concrètement, l’innovation – qui a fait l’objet d’une publication dans le journal Science Advances – repose sur le principe de la ferroélectricité. Plutôt que des cellules solaires à base de silicium, une couche de trois cristaux ferroélectriques est capable de produire mille fois plus d’énergie. Il s’agit du titanate de baryum, du titanate de strontium et du titanate de calcium. Les titanates sont des composés inorganiques qui combinent un oxyde de titane à un autre oxyde. « La prise en sandwich d’un BaTiO3 ferroélectrique entre SrTiO3 paraélectrique et CaTiO3 sous une forme de super-réseau entraîne une amélioration forte et réglable du photocourant », détaille l’article scientifique.
La plupart des cellules solaires sont actuellement à base de silicium ; cependant, leur efficacité est limitée. Cela a incité les chercheurs à examiner de nouveaux matériaux, tels que les ferroélectriques comme le titanate de baryum, un oxyde mixte composé de baryum et de titane.
« Ferroélectrique signifie que le matériau a des charges positives et négatives séparées dans l’espace », explique le physicien Dr Akash Bhatnagar du Center for Innovation Competence SiLi-nano de MLU. « La séparation de charge conduit à une structure asymétrique qui permet de générer de l’électricité à partir de la lumière. » Contrairement au silicium, les cristaux ferroélectriques ne nécessitent pas de jonction dite pn pour créer l’effet photovoltaïque, c’est-à-dire pas de couches dopées positivement et négativement. Cela facilite grandement la fabrication des panneaux solaires. Mais, pour vraiment décupler la production d’électricité, il importe que cette couche de matériaux ferroélectrique s’intercale entre deux couches paraélectriques différentes.
De l’importance du système de couches
« Nous avons incorporé le titanate de baryum entre le titanate de strontium et le titanate de calcium, souligne Yeseul Yun, doctorante à l’UML et première autrice de l’étude. Pour ce faire, nous avons vaporisé les cristaux à l’aide d’un laser à haute puissance et les avons redéposés sur des substrats porteurs. On a ainsi obtenu un matériau composé de 500 couches d’une épaisseur d’environ 200 nanomètres. » [Ndlr : un cheveu humain mesure environ 80 000 à 100 000 nanomètres de large].
Une fois le prototype créé, il a été irradié par une lumière laser pour vérifier sa puissance. Même le groupe de recherche ne s’attendait pas à une telle efficacité. Par rapport au titanate de baryum pur d’une épaisseur similaire, le flux de courant était jusqu’à 1 000 fois plus fort. « La structure en couches présente un rendement supérieur à celui des ferroélectriques purs dans toutes les plages de température, ajoute Akash Bhatnagar. Les cristaux sont également beaucoup plus durables et ne nécessitent pas de protection spéciale. » Reste que les chercheurs doivent encore affiner leur étude pour pouvoir produire ces panneaux solaires à un niveau industriel.
Cependant, le titanate de baryum pur n’absorbe pas beaucoup de lumière solaire et génère par conséquent un photocourant relativement faible. Les dernières recherches ont montré que la combinaison de couches extrêmement minces de différents matériaux augmente considérablement le rendement énergétique solaire.
« L’important ici est qu’un matériau ferroélectrique soit alterné avec un matériau paraélectrique. Bien que ce dernier n’ait pas de charges séparées, il peut devenir ferroélectrique dans certaines conditions, par exemple à basse température ou lorsque sa structure chimique est légèrement modifiée », a expliqué Bhatnagar.
Moctar FICOU / VivAfrik
