Les boîtes quantiques et l'amélioration de l'efficacité des panneaux solaires
A l'heure actuelle, les cellules photovoltaïques demeurent relativement peu efficaces dans l'opération de conversion de la lumière en électricité. En dépit des cellules à multi-jonctions qui permettent de convertir plus de 40% de l'énergie incidente et de matériaux semiconducteurs plus simples possédant en moyenne une efficacité de 20% suite à l'industrialisation à grande échelle, ces cellules ne convertissent toujours qu'un tiers de l'énergie incidente. Cependant, il se pourrait qu'une des limitations physiques à l'amélioration du rendement des cellules soit en passe d'être contournée : il s'agit des pertes par chaleur. Des nanocristaux à base de matériaux semiconducteurs permettant d'éviter les fuites d'électrons trop énergétiques seraient le fruit des travaux de chercheurs des universités du Minnesota et du Texas [1].
Rappelons que les cellules solaires sont réalisées à partir de matériaux semiconducteurs en raison des propriétés bien particulières des ces matériaux. Lorsqu'un photon possédant la bonne longueur d'onde vient rencontrer un tel composant, celui-ci libère un électron qui sera ensuite à l'origine avec ses congénères du courant électrique. Néanmoins, nombre de ces électrons libérés se dissipent sous forme de chaleur au lieu de participer au flux électrique global. Des travaux de ces équipes ont déjà montré par le passé que des nanocristaux à base de matériaux semiconducteurs pouvaient en effet "ralentir" ces électrons "surchauffés". Par voie de conséquence, ces nanocristaux, aussi appelés boîtes quantiques (quantum dots) [2], seraient susceptibles d'augmenter l'efficacité des cellules solaires. Les résultats de leurs recherches montrent que c'est en pratique bien le cas. En plus de capturer les électrons énergétiques, les boîtes quantiques permettent aussi de les transmettre à un matériau receveur tel que le dioxyde de titane usuellement employé dans les cellules solaires conventionnelles.
En pratique, ce transfert se déroule en moins de 50 femtosecondes. Du fait de l'extrême rapidité du transfert, moins d'électrons sont perdus sous forme de chaleur et l'efficacité théorique de la cellule atteindrait 66%. Malheureusement, cet avantage remarquable des boîtes quantiques doit encore être intégré dans l'architecture d'une cellule solaire. La prochaine étape consiste à montrer que les électrons capturés par ce procédé et le courant qui en découle peuvent être transmis dans un câble comme c'est le cas dans toutes les cellules. En effet, il faudra alors réaliser un câble assez petit pour connecter une cellule photovoltaïque à base de boîtes quantiques, dont le diamètre n'excéderait pas 6,7 nanomètres, et qui ne dissiperait pas de manière trop importante l'énergie transmise. Cette étape, la plus délicate, risque de prendre plusieurs années avant d'être réalisée mais les chimistes de ces universités ont déjà ouvert le champ à de nombreuses pistes d'amélioration des performances des cellules solaires[3]
Certaines startups telles que Magnolia Solar [4] se sont déjà lancées dans la course. La société sponsorisée par le Département de l'Energie américain (DOE) à hauteur d'un million de dollars avance main dans la main avec le département de Nano-Ingénierie de l'université d'Albanie à New-York.
Les percées telles que les boîtes quantiques ne représentent qu'une des facettes du futur du solaire. Il y a à l'heure actuelle d'innombrables pistes en cours d'exploration. Soulignons les plus importantes : les revêtements haute performance qui permettent d'augmenter l'efficacité en éliminant partiellement les réflexions parasites, les systèmes de suivi de la trajectoire du soleil. Mais à l'heure actuelle, nul ne peut prédire laquelle franchira les portes des laboratoires...Rappelons que les cellules solaires sont réalisées à partir de matériaux semiconducteurs en raison des propriétés bien particulières des ces matériaux. Lorsqu'un photon possédant la bonne longueur d'onde vient rencontrer un tel composant, celui-ci libère un électron qui sera ensuite à l'origine avec ses congénères du courant électrique. Néanmoins, nombre de ces électrons libérés se dissipent sous forme de chaleur au lieu de participer au flux électrique global. Des travaux de ces équipes ont déjà montré par le passé que des nanocristaux à base de matériaux semiconducteurs pouvaient en effet "ralentir" ces électrons "surchauffés". Par voie de conséquence, ces nanocristaux, aussi appelés boîtes quantiques (quantum dots) [2], seraient susceptibles d'augmenter l'efficacité des cellules solaires. Les résultats de leurs recherches montrent que c'est en pratique bien le cas. En plus de capturer les électrons énergétiques, les boîtes quantiques permettent aussi de les transmettre à un matériau receveur tel que le dioxyde de titane usuellement employé dans les cellules solaires conventionnelles.
En pratique, ce transfert se déroule en moins de 50 femtosecondes. Du fait de l'extrême rapidité du transfert, moins d'électrons sont perdus sous forme de chaleur et l'efficacité théorique de la cellule atteindrait 66%. Malheureusement, cet avantage remarquable des boîtes quantiques doit encore être intégré dans l'architecture d'une cellule solaire. La prochaine étape consiste à montrer que les électrons capturés par ce procédé et le courant qui en découle peuvent être transmis dans un câble comme c'est le cas dans toutes les cellules. En effet, il faudra alors réaliser un câble assez petit pour connecter une cellule photovoltaïque à base de boîtes quantiques, dont le diamètre n'excéderait pas 6,7 nanomètres, et qui ne dissiperait pas de manière trop importante l'énergie transmise. Cette étape, la plus délicate, risque de prendre plusieurs années avant d'être réalisée mais les chimistes de ces universités ont déjà ouvert le champ à de nombreuses pistes d'amélioration des performances des cellules solaires[3]
Certaines startups telles que Magnolia Solar [4] se sont déjà lancées dans la course. La société sponsorisée par le Département de l'Energie américain (DOE) à hauteur d'un million de dollars avance main dans la main avec le département de Nano-Ingénierie de l'université d'Albanie à New-York.
- [1] Hot-Electron Transfer from Semiconductor Nanocrystals, Science June 18 2010
- [2] How Quantum Dots Work Evident Technologies website
- [3] Quantum Dots Could Boost Solar Efficiency by 100%, Scientific American, June 20 2010
- [4] Magnolia Solar Brings Nano-Engineered, Non-Toxic, Low Cost Thin Film to the Table, Scientific American, March 6 2010.
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