Convertir la lumière du soleil en électricité pourrait ne plus signifier de grands panneaux de cellules photovoltaïques sur des surfaces planes comme les toits.

En utilisant des nanostructures d'oxyde de zinc développées sur des fibres optiques et recouvertes de matériaux de cellules solaires sensibilisés par colorant, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont développé un nouveau type de système photovoltaïque tridimensionnel. L'approche pourrait permettre aux systèmes photovoltaïques d'être cachés de la vue et situés à l'écart des emplacements traditionnels tels que les toits.

« Grâce à cette technologie, nous pouvons fabriquer des générateurs photovoltaïques qui sont pliables, dissimulé et mobile, " a déclaré Zhong Lin Wang, un professeur Regents à la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "La fibre optique pourrait conduire la lumière du soleil dans les murs d'un bâtiment où les nanostructures la convertiraient en électricité. Il s'agit vraiment d'une cellule solaire tridimensionnelle."

Les détails de la recherche ont été publiés dans la première vue de la revue Angewandte Chemie International le 22 octobre. Le travail a été parrainé par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), le KAUST Global Research Partnership et la National Science Foundation.

Les cellules solaires à colorant utilisent un système photochimique pour produire de l'électricité. Ils sont peu coûteux à fabriquer, flexible et mécaniquement robuste, mais leur compromis pour un coût inférieur est une efficacité de conversion inférieure à celle des cellules à base de silicium. Mais l'utilisation de réseaux de nanostructures pour augmenter la surface disponible pour convertir la lumière pourrait aider à réduire le désavantage d'efficacité, tout en offrant aux architectes et concepteurs de nouvelles options pour intégrer le PV dans les bâtiments, véhicules et même du matériel militaire.

La fabrication du nouveau système PV de Georgia Tech commence avec une fibre optique du type utilisé par l'industrie des télécommunications pour transporter les données. D'abord, les chercheurs enlèvent la couche de revêtement, puis appliquez un revêtement conducteur sur la surface de la fibre avant d'ensemencer la surface avec de l'oxyde de zinc. Prochain, ils utilisent des techniques établies basées sur des solutions pour faire croître des nanofils d'oxyde de zinc alignés autour de la fibre, un peu comme les poils d'un goupillon. Les nanofils sont ensuite recouverts de matériaux sensibilisés aux colorants qui convertissent la lumière en électricité.

La lumière du soleil entrant dans la fibre optique passe dans les nanofils, où il interagit avec les molécules de colorant pour produire du courant électrique. Un électrolyte liquide entre les nanofils collecte les charges électriques. Le résultat est un système hybride nanofil/fibre optique qui peut être jusqu'à six fois plus efficace que les cellules à oxyde de zinc planaires avec la même surface.

"Dans chaque reflet dans la fibre, la lumière a la possibilité d'interagir avec les nanostructures recouvertes des molécules de colorant, " Expliqua Wang. " Vous avez plusieurs réflexions lumineuses dans la fibre, et de multiples réflexions au sein des nanostructures. Ces interactions augmentent la probabilité que la lumière interagisse avec les molécules de colorant, et cela augmente l'efficacité."

Wang et son équipe de recherche ont atteint une efficacité de 3,3% et espèrent atteindre 7 à 8% après modification de surface. Bien qu'inférieur aux cellules solaires au silicium, cette efficacité serait utile pour la récupération d'énergie pratique. S'ils peuvent le faire, le coût potentiellement inférieur de leur approche pourrait la rendre attrayante pour de nombreuses applications.

En offrant une plus grande surface pour recueillir la lumière, la technique maximiserait la quantité d'énergie produite à partir d'un fort ensoleillement, ainsi que de générer des niveaux de puissance respectables même en cas de faible luminosité. La quantité de lumière entrant dans la fibre optique pourrait être augmentée en utilisant des lentilles pour focaliser la lumière entrante, et la cellule solaire à base de fibre a une intensité de saturation très élevée, a dit Wang.

Wang pense que cette nouvelle structure offrira aux architectes et aux concepteurs de produits un format PV alternatif à intégrer dans d'autres applications.

« Cela offrira vraiment de nouvelles options pour les systèmes photovoltaïques, " a déclaré Wang. " Nous pourrions éliminer les problèmes esthétiques des panneaux photovoltaïques sur le bâtiment. On peut aussi imaginer des systèmes PV pour fournir de l'énergie aux véhicules en stationnement, et pour charger des équipements militaires mobiles là où les réseaux traditionnels ne sont pas pratiques ou vous ne voudriez pas les utiliser."

Wang et son équipe de recherche, qui comprend Benjamin Weintraub et Yaguang Wei, ont réalisé des générateurs sur fibre optique jusqu'à 20 centimètres de longueur. "Plus c'est long, mieux c'est, " dit Wang, "parce que plus longtemps la lumière peut voyager le long de la fibre, plus il rebondira et plus il sera absorbé."

La fibre optique de quartz traditionnelle a été utilisée jusqu'à présent, mais Wang aimerait utiliser des fibres polymères moins chères pour réduire le coût. Il envisage également d'autres améliorations, comme une meilleure méthode pour collecter les charges et un revêtement de surface en oxyde de titane qui pourrait encore augmenter l'efficacité.

Bien qu'il puisse être utilisé pour les grands systèmes PV, Wang ne s'attend pas à ce que ses cellules solaires remplacent les appareils en silicium de si tôt. Mais il pense qu'ils élargiront les applications potentielles de l'énergie photovoltaïque.

"C'est une façon différente de récupérer l'énergie du soleil, " Wang a dit. " Pour répondre à nos besoins énergétiques, nous avons besoin de toutes les approches possibles."

Source :Institut de technologie de Géorgie