Des chercheurs de l'Université du Minnesota et de l'Université de Milan-Bicocca rapprochent le rêve de fenêtres capables de collecter efficacement l'énergie solaire de la réalité grâce aux nanoparticules de silicium de haute technologie.

Les chercheurs ont développé une technologie pour intégrer les nanoparticules de silicium dans ce qu'ils appellent des concentrateurs solaires luminescents efficaces (LSC). Ces LSC sont l'élément clé des fenêtres capables de collecter efficacement l'énergie solaire. Quand la lumière brille à travers la surface, les fréquences lumineuses utiles sont piégées à l'intérieur et concentrées sur les bords où de petites cellules solaires peuvent être mises en place pour capter l'énergie.

La recherche est publiée aujourd'hui dans Photonique de la nature .

Des fenêtres pouvant capter l'énergie solaire, appelées fenêtres photovoltaïques, sont la prochaine frontière dans les technologies des énergies renouvelables, car ils ont le potentiel d'augmenter considérablement la surface des bâtiments adaptés à la production d'énergie sans affecter leur esthétique - un aspect crucial, surtout dans les zones métropolitaines. Les fenêtres photovoltaïques à base de LSC ne nécessitent aucune structure volumineuse à appliquer sur leur surface et puisque les cellules photovoltaïques sont cachées dans le cadre de la fenêtre, ils se fondent de manière invisible dans l'environnement bâti.

L'idée de concentrateurs solaires et de cellules solaires intégrés dans la conception des bâtiments existe depuis des décennies, mais cette étude incluait une différence clé :les nanoparticules de silicium. Jusque récemment, les meilleurs résultats avaient été obtenus en utilisant des nanostructures relativement complexes basées soit sur des éléments potentiellement toxiques, comme le cadmium ou le plomb, ou sur des substances rares comme l'indium, qui est déjà massivement utilisé pour d'autres technologies. Le silicium est abondant dans l'environnement et non toxique. Il fonctionne également plus efficacement en absorbant la lumière à des longueurs d'onde différentes de celles qu'il émet. Cependant, le silicium sous sa forme classique en vrac, n'émet pas de lumière ou de luminescence.

« Dans notre laboratoire, nous "trompons" la nature en esquivant la dimension des cristaux de silicium à quelques nanomètres, soit environ un dixième du diamètre d'un cheveu humain, " a déclaré Uwe Kortshagen, professeur de génie mécanique à l'Université du Minnesota, inventeur du procédé de création de nanoparticules de silicium et l'un des auteurs principaux de l'étude. "A cette taille, les propriétés du silicium changent et il devient un émetteur de lumière efficace, avec la propriété importante de ne pas réabsorber sa propre luminescence. C'est la caractéristique clé qui rend les nanoparticules de silicium parfaitement adaptées aux applications LSC."

L'utilisation des nanoparticules de silicium a ouvert de nombreuses nouvelles possibilités pour l'équipe de recherche.

"Au cours des dernières années, la technologie LSC a connu une accélération rapide, grâce aussi aux études pionnières menées en Italie, mais trouver des matériaux appropriés pour récolter et concentrer la lumière solaire était encore un défi ouvert, " a déclaré Sergio Brovelli, professeur de physique à l'Université de Milan-Bicocca, co-auteur de l'étude, et co-fondateur de la société spin-off Glass to Power qui industrialise les LSC pour les fenêtres photovoltaïques "Maintenant, il est possible de remplacer ces éléments par des nanoparticules de silicium."

Les chercheurs affirment que les caractéristiques optiques des nanoparticules de silicium et leur compatibilité presque parfaite avec le processus industriel de production des LSC polymères ouvrent la voie à la création de fenêtres photovoltaïques efficaces qui peuvent capturer plus de 5 % de l'énergie solaire à des coûts sans précédent.

« Cela fera des fenêtres photovoltaïques à base de LSC une véritable technologie pour le marché photovoltaïque intégré au bâtiment sans les limitations potentielles d'autres classes de nanoparticules à base de matériaux relativement rares, " a déclaré Francesco Meinardi, professeur de physique à l'Université de Milano-Bicocca et l'un des premiers auteurs de l'article.

Les nanoparticules de silicium sont produites dans un processus de haute technologie utilisant un réacteur à plasma et transformées en une poudre.

"Chaque particule est composée de moins de deux mille atomes de silicium, " a déclaré Samantha Ehrenberg, un doctorat en mécanique de l'Université du Minnesota. étudiant et un autre premier auteur de l'étude. "La poudre est transformée en une solution semblable à de l'encre, puis incorporée dans un polymère, soit en formant une feuille de matière plastique souple, soit en revêtant une surface d'un film mince."

L'Université du Minnesota a inventé le procédé de création de nanoparticules de silicium il y a une douzaine d'années et détient plusieurs brevets sur cette technologie. En 2015, Kortshagen a rencontré Brovelli, qui est un expert en fabrication de LSC et a déjà démontré diverses approches réussies pour des LSC efficaces basées sur d'autres systèmes de nanoparticules. Le potentiel des nanoparticules de silicium pour cette technologie était immédiatement clair et le partenariat était né. L'Université du Minnesota a produit les particules et des chercheurs en Italie ont fabriqué les LSC en les incorporant dans des polymères grâce à une méthode industrielle, et ça a marché.

"C'était vraiment un partenariat où nous avons réuni les meilleurs chercheurs dans leurs domaines pour faire d'une vieille idée un véritable succès, " Kortshagen a déclaré. "Nous avions l'expertise dans la fabrication des nanoparticules de silicium et nos partenaires à Milan avaient l'expertise dans la fabrication des concentrateurs luminescents. Quand tout s'est réuni, nous savions que nous avions quelque chose de spécial."