C2.0 Actus

Des cellules solaires pour exploiter la lumière infrarouge

Des cellules solaires pour exploiter la lumière infrarouge

Des cellules solaires pour exploiter la lumière infrarouge 500 499 Sébastien BAGES

Environ 40% de l’énergie solaire atteignant la surface de la Terre se trouve dans le spectre lumineux proche-infrarouge – énergie qui ne peut pas être conventionnellement extraite des cellules solaires à base de silicium, incapables de les exploiter. Mais un nouveau type de cellules tout-carbone, développées par des chercheurs du MIT, pourraient exploiter cette énergie inutilisée, ouvrant la possibilité de cellules photovoltaïques combinées – incorporant à la fois des cellules solaires traditionnelles à base de silicium et les nouvelles ‘tout-carbone’ – qui pourraient faire usage de presque toute la gamme d’énergie la lumière du soleil.


« C’est fondamentalement une nouvelle sorte de cellule photovoltaïque », explique Michael Strano, du département Charles and Hilda Roddey Professor of Chemical Engineering au MIT et auteur principal d’un document décrivant le nouveau dispositif, qui a été publié cette semaine dans la revue Advanced Materials.

La nouvelle cellule est composée de deux formes exotiques de carbone : des nanotubes de carbone et une molécule C60, connu également sous le nom de fullerène, ou plus intimement ballon de foot, dû à sa structure en dôme géodésique. « Il s’agit de la première cellule photovoltaïque tout en carbone », a dit Strano – un exploit rendu possible par de nouvelles méthodes de développement dans la production de nanotubes de carbone purifiés de grande échelle. « C’est seulement faisable depuis quelques années où il devient enfin possible à quelqu’un de mettre la main sur un flacon d’un seul type de nanotube de carbone », dit-il. Pour que les nouvelles cellules solaires fonctionnent, les nanotubes doivent être très purs, et d’un type uniforme : un nanotube-simple, et uniquement une de ces deux configurations symétriques possibles.

D’autres groupes ont fait des cellules photovoltaïques (PV) en utilisant des nanotubes de carbone, mais seulement en utilisant une couche de polymère pour tenir les nanotubes en position et collecter les électrons perdus quand ils absorbent la lumière du soleil. Mais cette combinaison ajoute des étapes supplémentaires dans le processus de production, et nécessite des revêtements complémentaires pour prévenir la dégradation à cause de l’exposition à l’air. « Les nouvelles cellules tout-carbone semblent être stables dans l’air », a expliqué Strano.

La ‘cellule-carbone’ est la plus efficace pour capturer la lumière du soleil dans la région du proche-infrarouge. Parce que le matériau est transparent à la lumière visible, ces cellules peuvent être superposées sur des cellules classiques, créant ainsi un dispositif de tandem qui peut exploiter la plupart de l’énergie de la lumière solaire. Les cellules de carbone devront être affinées. Ainsi, Strano et ses collègues ont décrit que « jusqu’à présent, les premières preuves de concept de l’efficacité des dispositifs ont une conversion d’énergie de seulement 0,1%.

Bien que le système exige des recherches plus poussées et des réglages plus fins, « nous sommes sur une très bonne voie pour parvenir à de très haut rendements des cellules solaires du proche infrarouge », a expliqué Rishabh Jain, un étudiant diplômé qui a été l’auteur principal du document.

Parce que le nouveau système utilise des couches de matériaux nanométriques, produire des cellules requerra des quantités relativement petites de carbone hautement purifié, et les cellules qui en résulteront seront très légère, a dit l’équipe. « Une des choses vraiment belles sur les nanotubes de carbone, c’est que leur absorption de la lumière est très élevée, de sorte que vous n’avez pas besoin de beaucoup de matériel à absorber beaucoup de lumière », a signalé Jain.


En règle générale, quand un nouveau matériau de cellule solaire est étudié, il y a de grandes inefficacités, que les chercheurs réduisent progressivement. Dans ce cas, le postdoctorant et co-auteur Kevin Tvrdy a expliqué que, « certaines de ces sources d’inefficacité ont déjà été identifiées et traitées : par exemple, les scientifiques savent déjà que les mélanges hétérogènes de nanotubes de carbone sont beaucoup moins efficaces que les formulations homogènes, et le matériel, qui contient un mélange de nanotubes à paroi simple et multiparois, est beaucoup moins efficace voire, parfois, ils ne fonctionnent pas du tout ».

« C’est assez clair pour nous le genre de choses qui doit arriver dans le but d’accroître l’efficacité », a dit Jain. « Les chercheurs du MIT sont maintenant focalisés sur l’exploration d’un contrôle plus précis de la forme exacte et de l’épaisseur des couches de matériaux à produire ».

L’équipe espère que d’autres chercheurs se joindront à eux afin d’améliorer leur système. « C’est un modèle de système très bien », dit-il, « et d’autres groupes permettront d’accroître l’efficacité ».

Mais Strano indique que « puisque la partie proche-infrarouge du spectre solaire est actuellement entièrement inutilisée par les cellules typiques, même une cellule de basse efficacité qui fonctionne dans ce spectre pourrait être valable tant que son coût est bas. Si vous pourriez exploiter même une part du spectre proche-infrarouge, c’est une bonne valeur ajoutée », dit-il.

Strano ajoute que l’un des examinateurs – pair anonyme du journal – a fait observer que la réalisation d’une cellule à base de carbone absorbant le rayonnement infrarouge, sans couches de polymère photovoltaïque, est la réalisation d’un ‘rêve dans le domaine’.

Michael Arnold, professeur adjoint de sciences et génie des matériaux à l’Université du Wisconsin, à Madison, qui n’a pas été impliqué dans cette recherche, explique : « les nanotubes de carbone offrent des possibilités alléchantes pour accroître l’efficacité des cellules solaires et sont un peu comme les polymères photovoltaïques sur des stéroïdes. Ce travail est passionnant, car il montre la conversion d’énergie photovoltaïque à l’aide d’une couche active qui est entièrement faite de carbone. Cela ressemble à une direction très prometteuse qui permettra, à terme, la promesse aux nanotubes d’être pleinement exploités ».

Le travail a également effectué par des étudiants diplômés du MIT Rachel Howden, Steven Shimizu et Andrew Hilmer ; le postdoctorant Thomas McNicholas, et la professeure de génie chimique, Karen Gleason. Il a été pris en charge par la société italienne Eni via le MIT Energy Initiative, ainsi que la National Science Foundation et le ministère de la Défense par le biais de bourses d’études supérieures de respectivement Jain et Howden.


Citations du MIT
Crédit image et description : Rishabh Jain et al – Une image de microscope atomique d’une couche de nanotubes de carbone à paroi unique, déposés sur une surface de silicium, première étape de la fabrication du nouveau type de cellule solaire mise au point par une équipe de MIT. Des nanotubes individuels peuvent être vus dans l’image.

Share
Sébastien BAGES
About the author

Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

Laisser une réponse

15 + 3 =

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.

        Back to top
        Préférences de confidentialité

        Lorsque vous visitez notre site Web, il peut stocker des informations via votre navigateur à partir de services spécifiques, généralement sous la forme de cookies. Ici, vous pouvez modifier vos préférences de confidentialité. Il convient de noter que le blocage de certains types de cookies peut avoir un impact sur votre expérience sur notre site Web et les services que nous sommes en mesure d'offrir.

        Cliquez pour activer / désactiver le code de suivi Google Analytics.
        Cliquez pour activer / désactiver les polices Google.
        Cliquez pour activer / désactiver Google Maps.
        Cliquez pour activer / désactiver les intégrations vidéo.
        En poursuivant votre navigation, sans changer les paramètres de votre navigateur, vous acceptez l'utilisation de cookies pour garantir une bonne expérience sur notre site.