La grande efficacité des cellules solaires à nanocristaux

[tribune] Chris Rhodes

Les cellules solaires composées de semi-conducteurs organiques (à base de molécules carbonées) font aujourd'hui l'objet de nombreuses recherches. Ainsi que nous l'explique le professeur Rhodes, les particules nanocristallines offrent en effet des avantages uniques en terme d'efficacité photovoltaïque, de résistance aux radiations et de capacité de transport, notamment dans les appareils envoyés dans l'espace.

J’ai donné il y a peu une conférence à l’Institut de Physique d’Erevan, en Arménie, sur « l’énergie solaire et les applications dans l’espace », au cours de laquelle j’ai mis l’accent sur l’importance des technologies satellitaires. Cet atelier était organisé par l’ISTC (International Science and Technology Centre) de Moscou.Les quantum dots ou particules nanocristallines sont à cet égard un matériau très intéressant. Elles augmentent notamment l’efficacité de la conversion en énergie des radiations solaires, résistent aux radiations et se transportent très facilement. Hors, l’efficacité énergétique n’est-elle pas la clé de la courbe de Hubbert ?Le terme de quantum dots qui désigne les particules nanocristallines a été inventé par Mark Reed à l’Université de Yale. Il s’agit de semi-conducteurs dont les excitons sont confinés dans l’espace tridimensionnel. De ce fait, elles ont des propriétés à la fois proches de celles des semi-conducteurs et des molécules isolées.

Améliorer l’efficacité des cellules solaires

La taille des particules nanocristallines est comprise entre 2 et 10 nanomètres (de 10 à 50 atomes) de diamètre et elles contiennent de 100 à 100.000 atomes. Pour donner un ordre de grandeur, 3 millions de particules nanocristallines constitueraient une chaîne de la largeur approximative d’un pouce.Les particules nanocristallines ont le potentiel d’améliorer l’efficacité des cellules solaires à deux égards :

en étendant la bande interdite des cellules solaires afin qu’elles absorbent une plus grande partie du spectre solaire ;
en produisant plus d’excitons à partir d’un seul photon.

Quasiment la moitié de l’intensité de la lumière du soleil se situe dans la région infrarouge du spectre électromagnétique. Ainsi, les cellules photovoltaïques qui réagissent aux infrarouges peuvent même absorber les radiations d’une source thermique. La cogénération d’électricité et de chaleur est silencieuse, fiable et efficace.

Des avantages en termes de coût et de flexibilité

Une cellule de silicone de 1 cm² exposée à la lumière directe du soleil produirait environ 0,01 W, mais une cellule photovoltaïque à infrarouges avec une efficacité énergétique importante peut en théorie produire 1 W dans un système thermique.En 1970, on a découvert que le dopage chimique de polymères organiques couplés augmentait la conductivité électronique de plusieurs ordres de grandeur. Cette découverte a conduit à l’utilisation de matériaux électroniquement conductibles sous forme de capteurs, de diodes et de cellules solaires. Les polymères couplés sont caractérisés par la simplicité du processus, leur coût peu élevé, leur flexibilité et une large couverture. Ils fonctionnent aujourd’hui raisonnablement bien à l’intérieur du spectre visible.Pour faire fonctionner des polymères couplés à l’intérieur du champ infrarouge, des chercheurs de l’Université de Toronto ont enveloppé les polymères autour de quantum dots en sulfure de plomb réglés (en taille) pour réagir aux infrarouges. L’exploitation commerciale est prévue d’ici 3 à 5 ans.

Le taux d’énergie dissipée réduit substantiellement

L’équipe de chercheurs dirigée par Arthur Nozik au Laboratoire National des énergies renouvelables de Golden, Colorado, aux Etats-Unis, a récemment montré que l’absorption d’un seul photon par une particule nanocristalline, produisait non pas un exciton comme c’est le cas habituellement avec les semi-conducteurs, mais trois excitons !La formation de plusieurs excitons par photon absorbé nécessite que l’énergie du photon soit beaucoup plus importante que la bande interdite du semi-conducteur. Ce phénomène n’a pas lieu facilement dans des semi-conducteurs où l’énergie en excès est simplement dissipée sous forme de chaleur avant de pouvoir entraîner la formation d’autres paires électron-trou. Dans les particules nanocristallines, le taux d’énergie dissipée est réduit de façon significative. Les porteurs de charge sont confinés dans un volume infime, ce qui augmente leur interaction et donc la probabilité pour que plusieurs excitons se forment.

Sources :

L’auteur, Chris Rhodes, tient un blog (Energy Balance) qui discute des problématiques énergétiques et environnementales actuelles, et est éditorialiste pour Scitizen.com. Aujourd’hui retiré de la vie académique, il poursuit ses activités de consultant (« Fresh-Lands ») pour l’amélioration des conditions environnementales en Europe et dans les pays de l’ex-URSS.