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Les électrons chauds pourraient doubler l'énergie solaire
Pendant des décennies, les chercheurs ont étudié un moyen théorique de doubler la puissance de sortie des cellules solaires, en utilisant ce qu'on appelle des électrons chauds. Maintenant, des chercheurs du Boston College ont fourni de nouvelles preuves expérimentales que la théorie fonctionnera. Ils ont construit des cellules solaires qui obtiennent une augmentation de puissance des photons à haute énergie. Ce boost, selon les chercheurs, est le résultat de l'extraction d'électrons chauds.
Solaire chaud : Cette cellule solaire est constituée de fines couches de silicium amorphe avec des points d'aluminium servant de contacts électriques arrière. Il fournit la preuve qu'il peut être possible de doubler la production de cellules solaires.
Les résultats sont un pas vers des cellules solaires qui dépassent les limites d'efficacité conventionnelles. En raison du mode de fonctionnement des cellules solaires ordinaires, elles peuvent, en théorie, convertir au plus environ 35 % de l'énergie de la lumière solaire en électricité, gaspillant le reste sous forme de chaleur. L'utilisation d'électrons chauds pourrait entraîner des rendements pouvant atteindre 67%, selon Matthieu Barbe , un scientifique principal du National Renewable Energy Laboratory à Golden, CO, qui n'était pas impliqué dans les travaux en cours. Doubler l'efficacité des cellules solaires pourrait réduire de moitié le coût de l'énergie solaire.
Les cellules solaires conventionnelles ne peuvent convertir efficacement l'énergie de certaines longueurs d'onde de la lumière en électricité. Par exemple, lorsqu'une cellule solaire optimisée pour les longueurs d'onde rouges de la lumière absorbe des photons de lumière rouge, elle produit des électrons avec des niveaux d'énergie similaires à ceux des photons entrants. Lorsque la cellule absorbe un photon bleu de haute énergie, elle produit d'abord un électron de haute énergie similaire, un électron chaud. Mais celui-ci perd une grande partie de son énergie très rapidement sous forme de chaleur avant de pouvoir s'échapper de la cellule pour produire de l'électricité. (Inversement, les cellules optimisées pour la lumière bleue ne convertissent pas la lumière rouge en électricité, elles sacrifient donc l'énergie dans cette partie du spectre.)
Les chercheurs du Boston College ont fabriqué des cellules solaires ultrafines de seulement 15 nanomètres d'épaisseur. Parce que les cellules étaient si minces, les électrons chauds pouvaient être retirés rapidement de la cellule, avant qu'ils ne refroidissent. Les chercheurs ont découvert que la tension de sortie des cellules augmentait lorsqu'elles les éclairaient avec de la lumière bleue plutôt que rouge. Maintenant, nous éliminons les électrons de la lumière bleue avant qu'ils ne perdent tout leur excès d'énergie, dit Michael Naughton , professeur de physique au Boston College.
Le problème est que parce qu'elles sont si minces, les cellules solaires laissent passer la majeure partie de la lumière entrante. En conséquence, ils ne convertissent que 3 pour cent de l'énergie de la lumière entrante en électricité. Je pense que c'est prometteur, dit Beard. Mais il ajoute que jusqu'à présent, ils ne montrent qu'un assez petit effet.
Naughton dit que son équipe prévoit de résoudre ce problème en utilisant des nanofils. L'idée de base, avancée par de nombreux chercheurs différents maintenant, est de créer des forêts de nanofils qui absorberont la lumière sur toute leur longueur. Et parce que chaque nanofil est fin, les électrons n'auront pas beaucoup à parcourir pour s'échapper vers une couche conductrice à sa surface. Cela pourrait permettre de reproduire l'effet d'électrons chauds observé dans les cellules solaires minces. Naughton et ses collègues commercialisent de tels nanofils via une startup appelée Solasta , basé à Newton, MA, qui est financé par la société de capital-risque respectée Kleiner Perkins Caufield & Byers .
Les chercheurs espèrent également augmenter le nombre d'électrons chauds qu'ils collectent à partir de la lumière absorbée. Pour ce faire, ils se tournent vers une approche Martin Vert , professeur à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie et leader dans l'utilisation d'électrons chauds dans les cellules solaires. Cette méthode consiste à incorporer une couche de points quantiques, qui agissent comme une sorte de filtre, extrayant sélectivement les électrons de tension supérieure à la normale, explique Beard. Naughton dit que Solasta a déjà démontré qu'il est possible d'incorporer de tels points quantiques dans les nanofils de l'entreprise.