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Solaire super efficace à partir de nanotubes
Les cellules solaires d'aujourd'hui perdent une grande partie de l'énergie de la lumière pour se réchauffer. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université Cornell ont fabriqué une cellule photovoltaïque à partir d'un seul nanotube de carbone qui peut tirer parti de plus d'énergie de la lumière que le photovoltaïque conventionnel. Les minuscules tubes de carbone pourraient éventuellement être utilisés pour fabriquer des cellules solaires de nouvelle génération plus efficaces.
Cellules tubulaires : Le nanotube de carbone au centre est connecté à plusieurs électrodes et agit comme une cellule photovoltaïque super efficace.
Le principal facteur limitant d'une cellule solaire est que lorsque vous absorbez un photon de haute énergie, vous perdez de l'énergie en chaleur, et il n'y a aucun moyen de la récupérer, dit Matthieu Barbe , chercheur principal au National Renewable Energy Laboratory à Golden, CO. La perte d'énergie due à la chaleur limite l'efficacité des meilleures cellules solaires à environ 33 %. Le matériau qui peut être converti avec une efficacité beaucoup plus élevée changera la donne, dit Beard.
Des chercheurs dirigés par Paul McEuen , professeur de physique à Cornell, a commencé par mettre un seul nanotube dans un circuit et lui donner trois contacts électriques appelés portes, un à chaque extrémité et un en dessous. Ils ont utilisé les grilles pour appliquer une tension à travers le nanotube, puis l'ont illuminé avec de la lumière. Lorsqu'un photon frappe le nanotube, il transfère une partie de son énergie à un électron, qui peut ensuite traverser le circuit hors du nanotube. Ce processus à un photon, un électron est ce qui se passe normalement dans une cellule solaire. Ce qui est inhabituel avec les cellules à nanotubes, explique McEuen, c'est ce qui se passe lorsque vous introduisez ce qu'il appelle un gros photon - un photon dont l'énergie est deux fois plus grande que l'énergie normalement requise pour extraire un électron de la cellule. Dans les cellules conventionnelles, c'est l'énergie qui est perdue sous forme de chaleur. Dans le dispositif à nanotubes, il envoie un deuxième électron dans le circuit. Le travail a été décrit la semaine dernière dans le journal La science .
Il existe des preuves qu'une autre classe de nanomatériaux appelés points quantiques peut également convertir l'énergie d'un photon en plusieurs électrons. Cependant, la fabrication de cellules à points quantiques opérationnelles capables de le faire s'est avérée un obstacle majeur, explique Beard, dont le laboratoire, dirigé par Arthur Nozik , travaille sur le problème. L'un des défis du solaire à points quantiques est qu'il est très difficile de faire sortir les électrons libérés de la boîte quantique et d'entrer dans un circuit externe. Le système vous taquine ; vous ne pouvez pas sortir ces supports de charge, alors à quoi bon ? dit Ji Ung Lee , professeur d'ingénierie à l'échelle nanométrique à l'Université d'État de New York à Albany. Le groupe de McEuen l'a montré dans un système où vous pouvez sortir les transporteurs supplémentaires.
McEuen prévient que ses travaux sur le photovoltaïque à nanotubes de carbone sont fondamentaux. Nous avons fabriqué la plus petite cellule solaire au monde, et ce n'est pas nécessairement une bonne chose, dit-il. Pour tirer parti de la superefficacité des nanotubes, les chercheurs devront d'abord développer des méthodes pour fabriquer de grands réseaux de diodes. Nous n'en sommes pas à un stade où nous pouvons étendre les nanotubes de carbone, mais cela devrait être l'objectif ultime, déclare Lee, qui a développé les premières diodes à nanotubes alors qu'il était chercheur à General Electric.
On ne sait pas pourquoi la cellule photovoltaïque à nanotubes offre cette conversion d'énergie deux pour un. C'est mystérieux pour nous, dit McEuen. Cependant, la raison la plus probable est que, alors que les matériaux solaires conventionnels n'ont qu'un seul niveau d'énergie à travers lequel les électrons peuvent se déplacer, les nanotubes de carbone en ont plusieurs. Et il se trouve que deux d'entre eux sont très bien assortis : l'un des niveaux d'énergie, ou bandes interdites, est deux fois plus élevé que l'autre. Nous avons peut-être eu de la chance, et cela a très peu à voir avec le fait qu'il s'agit d'un nanotube de carbone, dit McEuen. Cela signifie, espère McEuen, que même s'il s'avère trop difficile de fabriquer des matrices de cellules solaires à nanotubes, les scientifiques des matériaux peuvent rechercher des paires de matériaux qui ont ce genre de bandes interdites assorties, et les superposer pour fabriquer des cellules solaires qui font avec deux matériaux ce que les cellules à nanotubes uniques peuvent le faire. Peut-être que la réponse ne sera pas dans les nanotubes, mais dans une autre paire de matériaux, dit McEuen.