Des chimistes proposent un matériau ultrafin pour doubler l'efficacité des cellules solaires
Fabriquer des cellules solaires non pas à partir de silicium, mais à partir d'un matériau naturel abondant appelé disulfure de molybdène.
Les technologies de l'énergie solaire, qui utilisent des cellules solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité ou en combustibles stockables, gagnent du terrain dans un monde qui ne se contente plus des combustibles fossiles pour répondre à ses besoins énergétiques.
Yusef Farah et Rachelle Austin, chercheurs au CSU, avec le spectromètre d'absorption transitoire à pompe-sonde ultrarapide qu'ils ont utilisé pour mesurer les propriétés des porteurs de charge des couches minces de disulfure de molybdène.
John Eisele/Colorado State University
Les panneaux solaires bleu foncé qui parsèment aujourd'hui les toits et les champs sont généralement fabriqués à partir de silicium, un matériau semi-conducteur qui a fait ses preuves. La technologie photovoltaïque au silicium a toutefois ses limites : elle perd jusqu'à 40 % de l'énergie qu'elle tire de la lumière du soleil sous forme de pertes de chaleur. Des chercheurs de l'université d'État du Colorado étudient de nouveaux moyens radicaux d'améliorer l'énergie solaire et d'offrir davantage d'options à l'industrie.
Les chimistes de la CSU proposent de fabriquer des cellules solaires en utilisant non pas du silicium, mais un matériau naturel disponible en abondance, le disulfure de molybdène. Grâce à une combinaison créative de techniques photoélectrochimiques et spectroscopiques, les chercheurs ont mené une série d'expériences montrant que des films extrêmement fins de disulfure de molybdène présentent des propriétés de porteurs de charge sans précédent qui pourraient un jour améliorer radicalement les technologies solaires.
Les expériences ont été menées par Rachelle Austin, doctorante en chimie, et Yusef Farah, chercheur postdoctoral. Austin travaille conjointement dans les laboratoires de Justin Sambur, professeur associé au département de chimie, et d'Amber Krummel, professeur associé dans le même département. Farah est un ancien doctorant du laboratoire de Krummel. Leurs travaux sont publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.
Cette collaboration a permis de réunir les compétences de M. Sambur en matière de conversion de l'énergie solaire à l'aide de matériaux à l'échelle nanométrique et celles de M. Krummel en matière de spectroscopie laser ultrarapide, afin de comprendre la structure et le comportement de différents matériaux. Le laboratoire de M. Sambur s'est intéressé au sulfure de molybdène en tant que matériau solaire alternatif possible, sur la base de données préliminaires concernant ses capacités d'absorption de la lumière, même lorsqu'il n'a que trois atomes d'épaisseur, a expliqué M. Austin.
C'est alors qu'ils se sont tournés vers Krummel, dont le laboratoire dispose d'un spectromètre d'absorption transitoire pompe-sonde ultra-rapide de pointe, capable de mesurer très précisément les états d'énergie séquentiels des électrons individuels lorsqu'ils sont excités par une impulsion laser. Les expériences réalisées à l'aide de cet instrument spécial peuvent fournir des instantanés de la manière dont les charges circulent dans un système. Austin a créé une cellule photoélectrochimique en utilisant une seule couche atomique de sulfure de molybdène, et elle et Farah ont utilisé le laser pompe-sonde pour suivre le refroidissement des électrons pendant qu'ils se déplaçaient dans le matériau.
Ils ont constaté que la conversion de la lumière en énergie était d'une efficacité stupéfiante. Plus important encore, les expériences de spectroscopie laser leur ont permis de montrer pourquoi cette conversion efficace était possible.
Ils ont découvert que si le matériau était si performant pour convertir la lumière en énergie, c'est parce que sa structure cristalline lui permet d'extraire et d'exploiter l'énergie des "porteurs chauds", qui sont des électrons très énergétiques brièvement excités à partir de leur état fondamental lorsqu'ils sont exposés à une quantité suffisante de lumière visible. Austin et Farah ont constaté que dans leur cellule photoélectrochimique, l'énergie de ces porteurs chauds était immédiatement convertie en photocourant, au lieu d'être perdue en chaleur. Ce phénomène d'extraction des porteurs chauds n'existe pas dans les cellules solaires classiques au silicium.
"Ce travail ouvre la voie à la conception de réacteurs contenant ces matériaux nanométriques pour une production d'hydrogène efficace et à grande échelle", a déclaré M. Sambur.
Le projet a été réalisé en collaboration avec le professeur Andrés Montoya-Castillo et le docteur Thomas Sayer de l'université du Colorado à Boulder, qui ont contribué à la chimie théorique et à la modélisation informatique afin d'expliquer et de vérifier les données expérimentales.
"La découverte a nécessité une approche scientifique en équipe qui a rassemblé de nombreux types d'expertise, en chimie informatique, analytique et physique", a déclaré M. Krummel.
Les résultats donnent aux scientifiques et aux ingénieurs une piste de recherche pour explorer de nouvelles approches des technologies de l'énergie solaire de demain. Les travaux ont été soutenus par le ministère américain de l'énergie, Office of Basic Energy Sciences.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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