Stimuler l'énergie solaire : les chercheurs de Duke explorent des moyens d'améliorer les panneaux

Pourquoi l’énergie solaire n’est-elle pas plus largement utilisée ? Après tout, les cellules photovoltaïques produisent de l’électricité à partir de la lumière du soleil, une ressource gratuite et essentiellement infinie.

L'une des raisons est que les cellules photovoltaïques actuelles sont relativement inefficaces. Ils n’émettent qu’environ un quart de l’énergie qu’ils absorbent du soleil. Si cette efficacité pouvait être améliorée, les panneaux solaires pourraient occuper moins d’espace tout en produisant plus d’électricité.

"En fin de compte, l'efficacité est le défi de l'énergie solaire", déclare Adrienne Stiff-Roberts, Ph.D., qui est professeur Jeffrey N. Vinik de génie électrique et informatique. "Si les cellules solaires sont plus efficaces, alors la technologie est moins coûteuse [par unité d'électricité produite] et vous parlez d'une énergie renouvelable qui remplace les sources d'énergie à base de carbone."

Chez Duke, Stiff-Roberts et ses collègues travaillent sur une nouvelle technologie photovoltaïque qui pourrait un jour capter davantage d'énergie solaire.

Une façon d’augmenter l’efficacité des cellules solaires consiste à modifier leur composition chimique. Les cellules solaires actuelles utilisent du silicium, un élément inorganique qui dure longtemps, excellent pour transporter les charges électriques et satisfaisant pour absorber l'énergie lumineuse. Certaines molécules organiques, en revanche, absorbent très bien l’énergie lumineuse, mais peuvent se dégrader rapidement en présence d’humidité et d’oxygène.

Les bienfaits des molécules organiques vont au-delà de leurs propriétés d’absorption de la lumière. "Un chimiste organique peut concevoir des molécules organiques qui ont toutes sortes de fonctions", explique Stiff-Roberts. "Ils peuvent être flexibles."

Selon Stiff-Roberts, la combinaison de composés inorganiques et organiques dans une seule cellule solaire pourrait offrir « le meilleur des deux mondes ». Mais travailler avec ce type de matériaux hybrides n’est pas facile.

D’une part, le matériau hybride doit être déposé sous forme d’un film de quelques nanomètres d’épaisseur, qui fonctionne comme un semi-conducteur. Les semi-conducteurs en couches minces sont déjà omniprésents dans les appareils que nous utilisons quotidiennement, comme les téléphones portables, les ordinateurs et les téléviseurs. Mais ces semi-conducteurs sont souvent constitués de minéraux inorganiques. La technique par laquelle ils sont déposés en couches minces ne fonctionne pas pour les composés organiques.

Il existe des moyens de déposer des molécules organiques dans un film mince, mais soit ils ne fonctionnent que pour les petites molécules organiques, soit ils ont du mal à déposer les multiples couches nécessaires aux cellules solaires.

Aujourd'hui, Stiff-Roberts et son équipe ont développé et démontré une technique permettant de déposer des matériaux hybrides composés à la fois de composés inorganiques et de gros composés organiques. « Mon groupe a apporté une approche nouvelle qui est fondamentalement différente de ce que tout le monde faisait », dit-elle.

« Notre déposition est très douce. La [molécule organique] est transférée de la source au substrat sans changement.

Stiff-Roberts a remis en question les processus traditionnels en créant une émulsion (pensez à l'huile et au vinaigre) avec des molécules organiques en suspension comme des gouttelettes d'huile dans l'eau. Cela empêche les grosses molécules de se briser pendant le dépôt.

Elle a récemment reçu $1 millions de la National Science Foundation en tant que BRITE Fellow pour étudier la faisabilité de développer sa technique en laboratoire de dépôt de couches minces de matériaux hybrides afin de la rendre commercialement viable à fabriquer.

L’un des matériaux hybrides les plus prometteurs étudiés par les chercheurs solaires est la pérovskite, un minéral naturel qui a été manipulé pour accepter des molécules organiques dans sa structure cristalline. Les molécules organiques sont piégées dans le réseau cristallin comme le beurre dans les alvéoles d’une gaufre.

L’efficacité des cellules solaires expérimentales hybrides à pérovskite a augmenté à pas de géant au cours de la dernière décennie, s’améliorant beaucoup plus rapidement que les technologies solaires conventionnelles et expérimentales. "Cela a stimulé tous les types d'investissements et de recherches dans ce domaine", explique Stiff-Roberts, qui a déjà démontré que sa technique fonctionnait avec des pérovskites hybrides en couches minces.

Stiff-Roberts collabore étroitement avec des collègues ingénieurs de Duke, notamment le théoricien Volker Blum, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux, et le concepteur de matériaux David Mitzi, professeur de la famille Simon de génie mécanique et de science des matériaux à l'Université Duke.

Les trois font partie d'un centre national, financé par le ministère de l'Énergie et dont le siège est au Laboratoire national des énergies renouvelables, qui étudie les propriétés fondamentales des pérovskites et d'autres matériaux hybrides.

"Il y a beaucoup de choses sur ces matériaux que nous ne comprenons pas", dit Stiff-Roberts, "et si vous ne comprenez pas le matériau, vous ne pouvez pas l'améliorer ou le contrôler pour fabriquer de meilleurs appareils."

Cependant, créer un meilleur appareil n’est que la première étape. Stiff-Roberts affirme que la transition des combustibles fossiles vers les énergies renouvelables nécessitera la participation de plusieurs disciplines – pas seulement la science et l’ingénierie, mais aussi la politique et l’économie. Elle constate que les étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs de Duke se plongent dans ces problèmes avec enthousiasme, souvent dans des contextes multidisciplinaires, tels que les équipes Bass Connections à l'échelle du campus ou l'Institut Nicholas pour l'énergie, l'environnement et la durabilité.

« Si vous voulez résoudre les problèmes liés aux énergies renouvelables, dit-elle, tout est lié. Et Duke possède une expertise dans tous ces aspects plus larges. C'est là que Duke a quelque chose d'unique à offrir.

(C) Université Duke

Source originale de l’article : WRAL TechWire