Conseil en Investissement Solaire

Lettre trimestrielle

Analyse trimestrielle 3ème trimestre 2010

Comment les nano-cristaux peuvent doubler l’efficience de cellules solaires?


Des chercheurs ont démontré une façon d’utiliser les nano-cristaux pour réduire l’énergie que les cellules solaires perdent en chauffant, ouvrant la voie à de futures cellules qui seront deux fois plus efficients qu’avec la technologie actuelle. Voici comment ils ont procédé.

Dans le processus de transformation de l’énergie solaire en électricité, la technologie actuelle laisse beaucoup de possibilités d’amélioration. Les cellules photovoltaïques les plus efficientes, faites de silicone, convertissent moins de 20% de la lumière qui les atteint en électricité, l’efficience théorique maximum de ces cellules étant aux environs de 31%.

Une des explications pour cette faible efficience est qu’une bonne part de la lumière reçue contient de l’énergie qui est trop élevée pour être capturée par des cellules solaires et qui est dès lors perdue sous forme de chaleur. A présent, des chercheurs ont démontré qu’il est possible de récolter cette énergie avant qu’elle ne s’échappe, ce qui signifie que les ingénieurs pourront un jour développer la prochaine génération de cellules solaires avec une efficience s’élevant jusqu’à 66%. Cette recherche est financée par le Département américain de l’Energie.

 

Quand la lumière atteint une cellule solaire, une fraction de son énergie est absorbée, excitant des électrons dans le matériau de la cellule et les frappant librement. Un champ électrique force alors les électrons libres à s’écouler dans une direction spécifique, produisant ainsi du courant électrique. L’énergie absorbée est déterminée par ce que les scientifiques appellent une bande limite- un spectre limité d’énergies que les cellules solaires peuvent capter.

Mais la lumière du soleil est composé de particules, appelés photons, représentant une très large gamme d’énergies. Les photons qui sont au-delà de la limite du spectre se traduisent par des électrons à haute énergie – ou, comme les scientifiques les appellent, des « électrons chauds » qui sont perdus sous forme de chaleur. Néanmoins, si on pouvait enlever les électrons chauds avant qu’ils se refroidissent, dit l’auteur de l’étude Xiaoyang Zhu, un professeur de chimie à l’Université d’Austin au Texas, « alors vous fermeriez essentiellement cette voie de perte et vous augmenteriez l’efficience par un facteur supérieur à deux. »

Pour accomplir cela, le groupe utilise des cristaux à l’échelle des nanos (moins de 100 nanomètres, ou 10 puissance moins 9 mètre) d’un composé appelé séléniure de plomb. Comme le silicone, le séléniure de plomb est un semi-conducteur, ce qui signifie qu’il absorbe l’énergie de la lumière à l’intérieur d’une certaine bande limite, ou spectre d’énergies. Mais les nano cristaux semi-conducteurs, également connus comme des cellules solaires, présentent des propriétés très différentes par rapport à leurs plus larges homologues. Par exemple, ils peuvent retenir un électron chaud plus longtemps, dépassant le temps nécessaire à un électron pour se refroidir. En fait, des recherches antérieures ont montré que les nano cellules solaires peuvent augmenter la durée de vie des électrons chauds par plus de 1000.

Une fois que l’électron chaud est confiné à l’intérieur d’une nano cellule solaire, alors arrive la partie la plus difficile: l’enlever pour qu’on puisse récoltée l’énergie qu’il dégage. L’électron aime rester à l’intérieur de la nano cellule solaire, dit Zhu, « ainsi nous avons eu besoin de trouver quelque chose qui pourrait l’attirer au dehors ». Dans ce but, les chercheurs ont choisi l’oxyde de titanium, un composé bien connu pour sa capacité à accepter de nouveaux électrons. Puis arrive la partie vraiment difficile : disposer les nano cellules au séléniure de plomb et le dioxyde de titanium de façon à ce que leurs interactions chimiques induisent le transfert de l’électron chaud.

Le transfert ne fut pas seulement un succès, il fut également très rapide. Si c’est avéré, ce résultat rend réalistes les cellules solaires à nano-cristaux à haute efficience, selon Tianquan Lian, un professeur de Chimie à l’Université d’ Emory qui n’a pas participé à l’étude, et dont les recherches tournent autour de l’utilisation des nanomatériaux pour la conversion de l’énergie solaire. C’est la première démonstration qu’en principe, l’étape décisive du transfert de l’électron est possible, dit-il.

Le but ultime, dit Zhu, consiste en “une cellule solaire à haut portage”, laquelle pourrait convertir jusqu’à 66% de la lumière reçue en électricité. Mais beaucoup d’étapes scientifiques et d’ingénierie restent à faire avant qu’une telle cellule puisse être commercialement développée. Un défi est de comprendre comment transférer les électrons chauds à un fil conducteur. « C’est une science qui a des implications réellement frappantes, implication n’est pas encore synonyme d’application » dit Zhu, ajoutant, « Je serai extrêmement heureux si, de mon vivant, je vois (des cellules solaires à haut portage) sur des toits. »

Visitez : http://www.popularmechanics.com/science/energy/solar-wind/quantum-next-gen-solar-cells

Informations complémentaires : PDF à http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/328/5985/1543/DC1

University:

The University of Texas at Austin
Department of Chemistry and Biochemistry, College of Natural Sciences
1 University Station A5300
Austin, TX 78712