Des indices de recherche sur le potentiel photovoltaïque du graphène

Les chercheurs ont démontré que le graphène est très efficace pour générer des électrons en absorbant la lumière, ce qui suggère que le matériau pourrait être utilisé pour fabriquer des capteurs de lumière et peut-être même des cellules solaires plus efficaces.

Les matériaux conventionnels qui transforment la lumière en électricité, comme le silicium et l'arséniure de gallium, génèrent un seul électron pour chaque photon absorbé. Comme un photon contient plus d'énergie qu'un électron ne peut en transporter, une grande partie de l'énergie contenue dans la lumière entrante est perdue sous forme de chaleur. Maintenant, de nouvelles recherches révèlent que lorsque le graphène absorbe un photon, il génère plusieurs électrons capables de conduire un courant. Cela signifie que si les dispositifs au graphène pour convertir la lumière en électricité se concrétisent, ils pourraient être plus efficaces que les dispositifs couramment utilisés aujourd'hui.

Des travaux théoriques antérieurs avaient inspiré l'espoir que le graphène avait cette propriété, dit Frank Koppens , chef de groupe au Institut des sciences photoniques en Espagne, qui a dirigé la recherche. Il dit que le nouveau résultat, décrit cette semaine dans Physique de la nature , représente la première preuve expérimentale.

Pour réaliser l'expérience, les chercheurs ont utilisé deux impulsions lumineuses ultrarapides. Le premier a envoyé une quantité d'énergie prescrite dans une seule couche de graphène. Le second servait de sonde qui comptait les électrons générés par le premier.

Potentiel PV : Le graphène, dont la structure atomique est visible dans cette illustration conceptuelle, s'est avéré avoir des propriétés optiques prometteuses.

Koppens dit que le phénomène décrit dans le nouvel article aura probablement l'impact le plus immédiat dans le domaine de la détection d'images ; son laboratoire travaille sur un prototype d'appareil. Il est raisonnablement confiant que le groupe peut améliorer les performances des capteurs de lumière tels que ceux utilisés dans les caméras, les lunettes de vision nocturne et certains capteurs médicaux.

Parmi les collaborateurs de Koppens figurait un professeur de physique du MIT Léonid Levitov et Justin Chien Wen Song, un étudiant diplômé du laboratoire de Levitov, qui a aidé Koppens à interpréter les données grâce à la modélisation théorique.

Bien que les travaux ne fassent que suggérer des applications solaires possibles, ils montrent que le graphène pourrait être considéré comme un candidat pour une utilisation dans les cellules solaires dites de troisième génération. Le terme fait référence à des technologies encore à développer qui dépasseraient les limites physiques des cellules solaires conventionnelles et atteindraient des rendements beaucoup plus élevés. Les cellules au silicium d'aujourd'hui ont une limite d'efficacité théorique d'environ 30 %. Les cellules solaires en graphène pourraient avoir une limite théorique de plus de 60%.

Koppens dit que de nombreux défis techniques s'y opposent, le moindre n'étant pas de savoir comment extraire l'énergie du système.

Le nouvel article illustre un concept très important, car les futurs appareils dépendront de la compréhension des processus physiques qui se produisent lorsque le graphène absorbe la lumière, dit Andrea Ferrari , professeur de nanotechnologie à l'Université de Cambridge au Royaume-Uni Ferrari, qui n'était pas impliqué dans cette recherche, dit que lui et ses collègues ont un article encore non publié qui décrit un résultat similaire. Démontrer cette propriété dans le graphène ouvre un nouveau domaine de recherche prometteur, dit-il.

Le graphène était déjà passionnant en tant que matériau photovoltaïque en raison de ses propriétés optiques uniques, explique Ferrari. Le matériau peut fonctionner avec toutes les longueurs d'onde possibles auxquelles vous pouvez penser, dit-il. Il n'y a aucun autre matériau au monde avec ce comportement. Il est également flexible, robuste, relativement bon marché et s'intègre facilement à d'autres matériaux. La nouvelle recherche ajoute une troisième couche d'intérêt au graphène pour l'optique, dit-il.

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