Exploiter l'or des fous pour l'énergie solaire

L'or des fous, également appelé pyrite ou sulfure de fer, peut être déterré à peu près n'importe où, des collines de Californie aux villages de la province du Yunnan en Chine. Mais au lieu de déterrer de la pyrite, le chercheur Cyrus Wadia fabrique des nanoparticules pures du composé à partir de sels de fer et de soufre dans son laboratoire de l'Université de Californie à Berkeley. Son objectif ultime est de transformer l'or des fous en un véritable trésor : une cellule solaire bon marché.

Aujourd'hui, la plupart des cellules solaires sont en silicium, mais elles sont chères : bien que le silicium soit abondant, sa transformation en photovoltaïque nécessite un traitement important et énergivore. Des matériaux tels que le tellurure de cadmium et le diséléniure de cuivre, d'indium et de gallium sont plus simples à traiter, ce qui donne des cellules à couche mince qui coûtent moins cher à produire. Mais les éléments nécessaires à la fabrication de ces composés, tels que le tellure et le gallium, sont trop rares pour répondre aux demandes énergétiques mondiales.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2009

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Wadia a donc mené une étude sur les matériaux possibles des cellules solaires, en examinant non seulement leur chimie et leur physique, mais aussi leur disponibilité. L'un des points marquants était l'or des fous : il est abondant et bon marché, et il possède des propriétés optiques qui lui permettent de convertir efficacement la lumière du soleil en électricité. L'efficacité théorique du sulfure de fer est de 31 pour cent. C'est aussi bon que le silicium, dit Wadia. De plus, 20 nanomètres de pyrite peuvent absorber autant de lumière que 300 micromètres de silicium. Parce qu'il absorbe beaucoup plus de lumière, il peut être transformé en cellules plus minces, qui nécessitent moins de matière première.

Matthew Beard, scientifique principal au National Renewable Energy Laboratory à Golden, CO, pense que Wadia et ses collègues présentent des arguments convaincants pour la poursuite de ces matériaux. Bien que la rareté des éléments utilisés dans les nouveaux films minces ne soit pas actuellement un problème, ce sera un problème à long terme, dit Beard. En attendant, ils posent un problème plus immédiat : certains d'entre eux sont toxiques. Ces inconvénients font que des alternatives telles que la pyrite valent la peine d'être développées.

Les efforts précédents pour construire des cellules solaires avec des dispositifs produits à base de pyrite qui, au mieux, ne convertissaient que 2,8 % de la lumière solaire en électricité. Wadia pense que la faible efficacité est due à des incohérences dans la structure cristalline de la pyrite. Il est le premier à fabriquer des nanoparticules de pyrite, et sa méthode donne des cristaux de pyrite avec une structure uniforme et favorable. Le matériau résultant, pense-t-il, surpassera la pyrite conventionnelle dans les cellules solaires.

Créations Cristallines
La structure cristalline de la pyrite peut prendre plusieurs formes. Cependant, un seul d'entre eux possède les propriétés électriques qui font de la pyrite un bon matériau solaire, et il faut juste le bon pH et la bonne température pour générer une solution de nanocristaux qui n'existent que sous cette forme. Pour fabriquer les cristaux, Wadia pipette des sels de fer orange crayeux, des sels de sulfure clairs et un tensioactif pétillant et iridescent dans un cylindre métallique revêtu de téflon. Le tensioactif empêche les particules de s'agglutiner au fur et à mesure de leur croissance. Il scelle le cylindre à l'intérieur d'un récipient pour autoclave et le cuit à 200 °C pendant quatre heures. Après l'avoir sorti, Wadia dévisse la cartouche, révélant un liquide clair avec une couche noire au fond : des nanocristaux de pyrite pure d'environ 100 à 500 nanomètres de diamètre.

Pour convertir la lumière du soleil en électricité utilisable, les cellules solaires nécessitent deux types différents de semi-conducteurs. Lorsque les photons frappent le sulfure de fer, les électrons du composé sont excités, mais ces charges négatives ne peuvent pas sortir de la cellule et entrer dans un circuit externe à moins qu'un composé ayant des propriétés électriques différentes n'élimine les charges positives, appelées trous. Un candidat pour le poste est le sulfure de cuivre, un autre matériau bon marché et abondant que Wadia a transformé en nanocristaux en collaboration avec Yue Wu, maintenant professeur adjoint de génie chimique à l'Université Purdue.

Wadia synthétise les nanocristaux de sulfure de cuivre en injectant des sels de cuivre et de sulfure et un tensioactif dans un ballon à trois cols sur une plaque chauffante ; lorsqu'une barre d'agitation magnétique tourne à l'intérieur, des nanoparticules du composé se forment. Après avoir retiré le tensioactif et remis en suspension les nanoparticules dans du chloroforme, il les transfère dans une boîte à gants. À l'intérieur se trouve une puce de verre, d'environ 2,5 centimètres carrés, qui a été recouverte d'une fine couche d'oxyde d'indium et d'étain, qui agit comme un contact électrique. Wadia place la puce de verre sur un petit disque et y pipette la suspension noire d'encre de nanocristaux de pyrite. Il fait tourner rapidement le disque pendant une minute pour étaler les nanocristaux en une couche uniforme. Puis il pose la puce sur une plaque chauffante et la chauffe pendant 10 à 15 minutes pour fixer les particules à sa surface.

Une fois que Wadia a répété le processus avec la solution de sulfure de cuivre, le contact électrique inférieur est recouvert par les couches de nanoparticules. Il donne un coup rapide à la puce avec un coton-tige ordinaire pour réexposer une bande d'oxyde d'indium et d'étain qui sert de contact électrique inférieur pour la cellule. Il recouvre ensuite la puce d'un masque, ou pochoir, qui décrit deux ensembles de quatre carrés avec des queues rectangulaires. Wadia place la puce et un petit morceau d'aluminium solide à l'intérieur d'un évaporateur thermique qui ressemble à une cloche en métal. Après avoir scellé le pot, il le chauffe ; l'aluminium s'évapore et en refroidissant, il se dépose sur les parties exposées de la puce. Cela crée huit contacts électriques carrés avec des queues qui mènent au bord de la puce.

La pyrite voit la lumière
La puce est maintenant prête à être testée. Wadia dévisse un testeur de cellules solaires, place la puce à l'intérieur et la revisse. Il l'éclaire ensuite avec une lumière qui imite la distribution des longueurs d'onde trouvées dans la lumière du soleil. Lorsque la lumière frappe la puce, le système mesure le courant, la tension aux bornes de la puce et d'autres propriétés. Un écran affiche un tracé du courant traversant la cellule par rapport à la tension qui la traverse. Jusqu'à présent, les cellules à base de pyrite se sont avérées décevantes dans leurs performances, bien que les chercheurs de Berkeley aient utilisé du sulfure de cuivre en combinaison avec du sulfure de cadmium pour fabriquer des cellules ayant une efficacité de 1,6%. Ce n'est pas assez bon pour une utilisation pratique, mais les résultats sont suffisamment prometteurs pour justifier la poursuite des travaux sur la technologie.

Des cellules incorporant de la pyrite seraient préférables car le matériau est moins toxique et moins cher à récupérer que les composés de cadmium. Cependant, lorsque les nanoparticules de pyrite sont tournées sur la puce, des trous d'épingle à l'échelle nanométrique ont tendance à se former. Pour les électrons, de tels espaces minuscules ressemblent au Grand Canyon - ils ne peuvent pas traverser et migrer dans le circuit électrique externe. Au lieu de cela, les électrons descendent par tunnel jusqu'à l'électrode inférieure, provoquant un court-circuit de la cellule.

Il est difficile de faire de bons films de pyrite car les nanocristaux ont tendance à couler au fond de n'importe quel liquide. Mieux une particule est en suspension, plus le film qu'elle formera sera lisse. Wadia pense que des particules plus petites pourraient conduire à de meilleures suspensions : les particules de pyrite sont 20 à 100 fois plus grandes que les particules de sulfure de cuivre, qui mesurent environ cinq nanomètres de diamètre. Wadia essaie tout ce qu'il peut pour les rendre plus petits, y compris en les pressant ou en les broyant mécaniquement et en modifiant les conditions de réaction. Il collabore également avec des bio-ingénieurs du Lawrence Berkeley National Laboratory pour modifier génétiquement des virus afin qu'ils accumulent des nanoparticules de pyrite sur leur manteau ; la prochaine étape serait d'aligner les virus sur des films uniformes.

Wadia reconnaît qu'il lui reste encore de nombreuses années à fabriquer une cellule solaire efficace avec des nanocristaux de pyrite. En fin de compte, cependant, son objectif est de produire une cellule suffisamment bon marché pour faire de l'énergie solaire la source d'énergie dominante. Il dit, j'ai juste besoin que la science fonctionne.

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