Des scientifiques de l'Université Purdue et du National Renewable Energy Laboratory ont découvert comment les électrons se déplacent dans un nouveau matériau cristallin et cette découverte pourrait conduire à doubler l'efficacité des cellules solaires. Images microscopiques ultrarapides, comme celles-ci, montrent que les électrons du matériau sont capables de se déplacer sur 200 nanomètres avec une perte d'énergie minimale due à la chaleur. Crédit :Image de l'Université Purdue par Libai Huang
Il a été démontré qu'un nouveau matériau a la capacité de doubler l'efficacité des cellules solaires par des chercheurs de l'Université Purdue et du National Renewable Energy Laboratory.
Les cellules solaires conventionnelles sont au plus efficaces au tiers, une limite connue des scientifiques sous le nom de limite de Shockley-Queisser. Le nouveau matériel, une structure cristalline qui contient à la fois des matières inorganiques (iode et plomb) et une matière organique (méthyl-ammonium), augmente l'efficacité afin qu'il puisse transporter les deux tiers de l'énergie de la lumière sans perdre autant d'énergie à la chaleur.
En termes moins techniques, ce matériau pourrait doubler la quantité d'électricité produite sans augmentation significative des coûts.
Assez d'énergie solaire atteint la terre pour répondre à tous les besoins énergétiques de la planète plusieurs fois, mais capter cette énergie a été difficile - à partir de 2013, seulement environ 1 pour cent de l'électricité du réseau mondial a été produit à partir de panneaux solaires.
Libaï Huang, professeur assistant de chimie à Purdue, dit le nouveau matériel, appelé pérovskites hybrides, créerait des cellules solaires plus fines que les cellules solaires au silicium conventionnelles, et est également flexible, pas cher et facile à faire.
"Mes étudiants diplômés apprennent à le faire en quelques jours, " elle dit.
La percée est publiée cette semaine dans le journal Science .
Le potentiel de doubler l'efficacité des cellules solaires à l'aide d'un nouveau matériau unique a été découvert par l'Université Purdue et le National Renewable Energy Laboratory. Le matériel, appelé pérovskite hybride, a une "cage" cristalline inorganique qui contient une molécule organique, méthyl-ammonium. Crédit :Image de l'Université Purdue par Libai Huang
Les cellules solaires les plus courantes utilisent le silicium comme semi-conducteur, qui ne peut transmettre qu'un tiers de l'énergie à cause de la bande interdite, qui est la quantité d'énergie nécessaire pour faire passer un électron d'un état lié à un état conducteur, dans laquelle les électrons peuvent se déplacer, créer de l'électricité.
Les photons entrants peuvent avoir plus d'énergie que la bande interdite, et pendant un temps très court – si court qu'il est difficile à imaginer – les électrons existent avec une énergie supplémentaire. Ces électrons sont appelés « porteurs chauds, " et dans le silicium, ils n'existent que pour une picoseconde (soit 10 -12 secondes) et ne parcourir qu'une distance maximale de 10 nanomètres. À ce stade, les électrons porteurs chauds cèdent leur énergie sous forme de chaleur. C'est l'une des principales raisons de l'inefficacité des cellules solaires.
Huang et ses collègues ont développé une nouvelle technique qui permet de suivre l'amplitude du mouvement et la vitesse des porteurs chauds en utilisant des lasers et des microscopes rapides.
"La distance dont les porteurs chauds ont besoin pour migrer est au moins l'épaisseur d'une cellule solaire, soit environ 200 nanomètres, que peut réaliser ce nouveau matériau pérovskite, " dit Huang. " De plus, ces porteurs peuvent vivre environ 100 picosecondes, deux ordres de grandeur plus longs que le silicium."
Kai Zhu, scientifique principal au Laboratoire national des énergies renouvelables à Golden, Colorado, et l'un des co-auteurs du journal, dit que ce sont des facteurs critiques pour la création d'une cellule solaire commerciale à support chaud.
"Cette étude a démontré que les porteurs chauds dans un film mince de pérovskite polycristallin standard peuvent parcourir une distance similaire ou supérieure à l'épaisseur de film requise pour construire une cellule solaire à pérovskite efficace, ", dit-il. "Cela indique que le potentiel de développement de cellules solaires à pérovskite à support chaud est bon."
Cependant, avant qu'un produit commercial ne soit développé, les chercheurs essaient d'utiliser les mêmes techniques développées à Purdue en remplaçant le plomb dans le matériau par d'autres, moins toxique, métaux.
« La prochaine étape consiste à trouver ou à développer des matériaux ou des structures de contact appropriés avec des niveaux d'énergie appropriés pour extraire ces porteurs chauds afin de générer de l'énergie dans le circuit externe, " dit Zhu. "Ce n'est peut-être pas facile."
