« Un soleil qui ne dort jamais » : ces panneaux solaires dopés aux nanostructures pulvérisent tous les records d’efficacité

Les avancées technologiques dans le domaine de l’énergie solaire continuent de repousser les limites de l’efficacité énergétique. Les scientifiques ont récemment atteint des niveaux d’efficacité élevés dans les cellules solaires en silicium grâce à des surfaces méticuleusement conçues. Ces nouvelles conceptions de revêtements antireflets pour les cellules solaires en silicium, basées sur des métasurfaces en silicium monocouche, permettent de supprimer la réflexion sur une large gamme de longueurs d’onde allant de 500 à 1200 nanomètres pour des angles d’incidence allant jusqu’à 60 degrés. Ces progrès promettent d’améliorer considérablement la performance des panneaux solaires, tout en ouvrant la voie à de nouvelles applications dans le domaine des capteurs et des dispositifs optiques.

Les revêtements antireflets augmentent le courant photogénéré

La recherche récente a mis en lumière que près de la moitié de l’énergie solaire atteignant une cellule solaire en silicium est perdue à cause de la réflexion à l’interface silicium-air. Les revêtements antireflets, en revanche, peuvent réduire cette réflexion et ainsi accroître le courant photogénéré. Une étude menée par SPIE, la société internationale pour l’optique et la photonique, a révélé un nouveau type de revêtement antireflet utilisant une seule couche ultrafine de nanostructures en silicium polycristallin, également connue sous le nom de métasurface.

Grâce à l’utilisation combinée de techniques de conception directe et inverse, renforcées par l’intelligence artificielle, cette métasurface atteint une réflexion minimale sur certaines longueurs d’onde et angles. Publiée dans Advanced Photonics Nexus, l’étude indique que la réflexion moyennée sur les spectres visible et proche infrarouge atteint un niveau record d’environ 2 % en incidence normale et 4,4 % en incidence oblique. Ces résultats démontrent le potentiel des nanostructures photoniques améliorées par l’apprentissage automatique pour surpasser les revêtements antireflets traditionnels.

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Un revêtement efficace même lorsque la lumière solaire arrive à des angles prononcés

Le revêtement étudié fonctionne sur le spectre visible et proche infrarouge (500 à 1200 nanomètres) et reste efficace même lorsque la lumière solaire arrive à des angles prononcés. Il réfléchit aussi peu que 2 % de la lumière incidente à des angles directs et environ 4,4 % à des angles obliques, des résultats sans précédent pour une conception monocouche.

Cette percée montre qu’une couche nanostructurale conçue intelligemment peut améliorer l’efficacité des panneaux solaires courants. Étant à la fois performante et relativement simple, elle pourrait conduire à des panneaux solaires plus efficaces, et potentiellement accélérer la transition vers l’énergie propre. Les chercheurs soulignent également que, au-delà de l’énergie solaire, cette approche fait progresser la manière dont les scientifiques conçoivent les métasurfaces pour l’optique et la photonique. Cela ouvre la porte à des revêtements photoniques multifonctionnels pouvant bénéficier non seulement à l’énergie solaire mais aussi aux capteurs et autres dispositifs optiques.

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Des solutions améliorées par métasurface pour des substrats à faible indice

Les solutions améliorées par métasurface proposées démontrent une grande fonctionnalité en termes de réduction de la réflexion avec des ARC sur le verre et d’autres substrats à faible indice. Les chercheurs ont souligné que la conception directe peut produire des résultats très prometteurs, à condition de choisir des paramètres géométriques appropriés. En revanche, en utilisant l’approche de conception inverse, il n’est pas nécessaire de se fixer sur un type de géométrie à l’avance, tout en étant raisonnablement certain que la solution serait proche de l’optimum global.

Nous avons réussi à obtenir des structures croisées circulaires conçues directement et des structures inversées à forme libre avec les meilleures propriétés antireflets rapportées pour des structures monocouches. Ces avancées montrent que les métasurfaces peuvent jouer un rôle clé dans l’amélioration de l’efficacité des dispositifs optiques et photoniques.

Implications pour l’avenir des technologies solaires et optiques

Les avancées dans l’utilisation des métasurfaces pour les cellules solaires en silicium ne se limitent pas à l’amélioration de l’efficacité énergétique. Elles ouvrent également de nouvelles perspectives pour les technologies optiques. La capacité à concevoir des revêtements photoniques multifonctionnels pourrait transformer non seulement le domaine de l’énergie solaire, mais aussi celui des capteurs et d’autres appareils optiques, offrant ainsi des solutions innovantes pour diverses industries.

Les métasurfaces, en tant que solution de conception avancée, montrent comment l’intégration de l’intelligence artificielle et des techniques de conception inverse peut révolutionner la manière dont nous concevons et utilisons les dispositifs photoniques. Ces innovations soulignent le potentiel des matériaux nanostructurés pour offrir des performances améliorées tout en réduisant les coûts et la complexité de fabrication.

Les progrès dans la conception des métasurfaces pour l’énergie solaire et les dispositifs optiques posent une question cruciale : comment ces innovations transformeront-elles notre approche des technologies énergétiques et des dispositifs optiques dans un avenir proche ?

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