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De minuscules cellules solaires
Des chercheurs de l'Université Harvard ont fabriqué des cellules solaires qui ne font qu'une petite fraction de la largeur d'un cheveu humain. Les cellules, chacune constituée d'un seul nanofil de seulement 300 nanomètres de large, pourraient être utiles pour alimenter de minuscules capteurs ou robots pour la surveillance de l'environnement ou des applications militaires. De plus, la conception de base des cellules solaires pourrait être utile dans la production d'électricité à grande échelle, réduisant potentiellement le coût de production d'électricité à partir du soleil.
Nano solaire : Coupe transversale d'un nanofil de silicium qui convertit la lumière en électricité. L'image a été colorée pour mettre en évidence les couches fonctionnelles de l'appareil. Chaque couche est constituée de silicium modifié avec un autre matériau qui lui confère des propriétés électroniques distinctes. La couche externe de dioxyde de silicium protège les couches actives à l'intérieur. Lorsqu'un électron à l'intérieur du nanofil est libéré par un photon, il laisse un trou positif derrière lui ; la couche bleue et le noyau rouge séparent les électrons des trous. Une fois ceux-ci séparés, les électrons peuvent être collectés pour créer un courant. Le calque jaune sépare le calque bleu du calque rouge.
Chacune des nouvelles cellules solaires est un nanofil avec un noyau de silicium cristallin et plusieurs couches concentriques de silicium aux propriétés électroniques différentes. Ces couches remplissent les mêmes fonctions que les couches semi-conductrices des cellules solaires conventionnelles, absorbant la lumière et capturant les électrons pour créer de l'électricité. Pour faire les cellules, Cher Charles, professeur de chimie à l'Université Harvard, a modifié les méthodes qu'il avait précédemment utilisées pour fabriquer des nanofils qui pourraient servir de capteurs ou de transistors. Il a ensuite démontré que ses cellules solaires peuvent alimenter deux de ses premiers dispositifs à nanofils, un capteur de pH et un ensemble de transistors.
Cet article fournit le tout premier exemple d'utilisation d'un seul nanofil de silicium pour récolter l'énergie solaire, dit Zhong Lin Wang , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Georgia Tech. Il appelle le travail de Lieber une recherche révolutionnaire dans le domaine de la nanotechnologie.
Dans un premier temps, les cellules solaires à nanofils seront très probablement utiles dans des applications de niche où leur petite taille est essentielle, telles que des capteurs extrêmement petits ou des robots dont les capteurs et l'électronique pourraient bénéficier d'une source d'alimentation intégrée. On a beaucoup parlé récemment de la fabrication de nanomachines et de nanosystèmes indépendants, dit Phaédon Avoris , membre d'IBM Research. Le problème a toujours été : comment allez-vous les alimenter ? Si vous voulez avoir un nanosystème indépendant qui est autonome, qui n'est pas branché sur une alimentation centrale, alors vous avez besoin de quelque chose comme ça.
L'objectif ultime serait de construire des composants électroniques pouvant s'auto-assembler en dispositifs qu'il ne serait peut-être pas possible de fabriquer autrement. (Lieber a montré qu'il est possible de fabriquer de tels composants à partir de nanofils, qui peuvent ensuite être assemblés en matrices régulières en solution.) Nous aimerions incorporer de la mémoire, un nanoprocesseur, peut-être un capteur et une source d'alimentation pour le piloter, Lieber dit. Si vous essayez d'assembler toutes ces pièces avec une technologie conventionnelle, cela devient assez lourd.
En plus d'alimenter de minuscules machines, les cellules solaires fabriquées à partir de fils microscopiques pourraient éventuellement être regroupées dans de grands réseaux pour remplacer les panneaux solaires conventionnels sur les toits. Les recherches de Lieber en sont encore à leurs débuts, mais ses nouveaux nanofils suggèrent qu'une cellule solaire théorique proposée par des chercheurs du California Institute of Technology pourrait être viable. Harry Atwater , professeur de physique appliquée et de science des matériaux à Caltech, et Nathan Lewis , professeur de chimie là-bas, ont suggéré que les cellules solaires constituées de fils microscopiques seraient beaucoup moins chères que les cellules solaires conventionnelles, car elles pourraient être fabriquées à partir de matériaux moins coûteux, notamment, selon Lewis, la rouille.
Jusqu'à présent, les cellules solaires fabriquées à partir de matériaux aussi bon marché étaient peu pratiques en raison d'une contradiction fondamentale dans leurs exigences de conception. Pour être efficaces, les cellules solaires doivent bien faire au moins deux choses. Premièrement, ils doivent absorber la lumière, ils ont donc besoin de matériaux actifs suffisamment épais pour que la lumière ne puisse pas les traverser. Mais ils ont également besoin de collecter les électrons libérés par les photons absorbés. Pour cela, les matériaux extrêmement minces sont généralement meilleurs ; sinon, les électrons peuvent être piégés à l'intérieur du matériau. Une façon de concilier ces contraintes de conception concurrentes consiste à fabriquer des couches de matériau relativement épaisses, mais à utiliser des matériaux cristallins extrêmement purs dépourvus des défauts et des impuretés susceptibles de piéger les électrons. De tels matériaux fonctionnent bien, mais ils sont chers, ce qui maintient le prix des panneaux solaires à un niveau élevé.
Les nanofils tels que ceux utilisés par Lieber pour ses cellules solaires offrent une alternative. Les nanofils peuvent absorber des quantités importantes de lumière sur toute leur longueur. Dans le même temps, les électrons n'ont qu'à parcourir une courte distance dans le nanofil, d'une couche concentrique de matériau à une autre, pour être collectés. (Les couches servent à séparer les électrons de leurs homologues positifs, les trous, ce qui permet de collecter les électrons.) Comme les matériaux sont minces, les chances qu'un électron soit piégé par un défaut avant de s'échapper d'une couche à la suivante sont faibles, il est donc possible d'utiliser des matériaux moins chers avec plus de défauts.
Lieber a démontré que les nanofils peuvent effectivement produire de l'électricité, mais qu'un certain nombre de défis restent à relever avant qu'ils ne trouvent leur place dans les cellules solaires commerciales. Lieber n'a testé qu'un petit nombre de cellules solaires à nanofils. Pour les applications à grande échelle, les nanofils devraient être cultivés chimiquement dans des réseaux denses. Atwater et Lewis ont récemment pris des mesures dans cette direction, publiant le mois dernier deux articles dans lesquels ils décrivent des réseaux denses croissants de fils microscopiques, mais des fils sans les multiples couches de Lieber. Associés à un électrolyte liquide, les fils généraient de l'électricité à partir de la lumière. Comme il peut s'avérer plus facile de fabriquer des cellules solaires à semi-conducteurs telles que celles de Lieber, Lewis et Atwater s'efforcent de produire des réseaux de fils à plusieurs couches.
La limitation la plus importante du travail des deux groupes est le faible rendement de leurs cellules solaires. Par exemple, les cellules de Lieber ont converti 3,4 % de la lumière entrante en électricité. Bien que ce soit un chiffre encourageant pour les cellules solaires de preuve de concept en laboratoire, c'est loin de l'efficacité de plus de 20 % des panneaux solaires en silicium conventionnels. Même avec l'avantage potentiel de matériaux moins chers, les cellules solaires filaires devraient probablement être efficaces d'environ 10 % si elles devaient rivaliser avec la technologie existante. Les prochaines étapes des chercheurs consistent à trouver des moyens de fabriquer des réseaux de fils plus denses pour absorber plus de lumière et, dans le cas de Lieber, de trouver des moyens de générer une tension accrue à partir de cellules solaires à nanofils.