Une équipe de l'Université de Californie du Sud a produit des films d'atomes de carbone transparents flexibles qui, selon les chercheurs, ont un grand potentiel pour une nouvelle génération de cellules solaires.

« Les cellules photovoltaïques organiques (OPV) ont été proposées comme moyen d'obtenir une énergie à faible coût en raison de leur facilité de fabrication, poids léger, et compatibilité avec les substrats souples, " a écrit Chongwu Zhou, professeur de génie électrique à l'USC Viterbi School of Engineering, dans un article récemment publié dans la revue ACS Nano .

La technique décrite dans l'article décrit les progrès vers une nouvelle conception de cellules OPV qui présente des avantages significatifs, en particulier dans le domaine de la flexibilité physique.

Un aspect critique de tout dispositif photo-électronique OPV est une électrode conductrice transparente à travers laquelle la lumière peut se coupler avec des matériaux actifs pour créer de l'électricité. Le nouveau travail indique que le graphène, une forme de carbone hautement conductrice et hautement transparente constituée de feuilles d'atomes de carbone d'une épaisseur d'atomes, a un fort potentiel pour remplir ce rôle.

Alors que l'existence du graphène est connue depuis des décennies, il n'a fait l'objet d'études approfondies que depuis 2004 en raison de la difficulté de le fabriquer en qualité et en quantité.

Le laboratoire de Zhou a signalé la production à grande échelle de films de graphène par dépôt chimique en phase vapeur il y a trois ans. Dans ce processus, l'équipe d'ingénierie de l'USC crée des feuilles de graphène ultra minces en déposant d'abord des atomes de carbone sous forme de films de graphène sur une plaque de nickel à partir de méthane.

Ensuite, ils déposent une couche protectrice de thermoplastique sur la couche de graphène, puis dissoudre le nickel en dessous dans un bain acide. Dans la dernière étape, ils attachent le graphène protégé par du plastique à une feuille de polymère très flexible, qui peut ensuite être incorporé dans une cellule OPV. (voir schéma)

L'équipe de l'USC a produit des feuilles de graphène/polymère d'une taille allant jusqu'à 150 centimètres carrés qui peuvent à leur tour être utilisées pour créer des réseaux denses de cellules OPV flexibles.

Ces appareils OPV convertissent le rayonnement solaire en électricité, mais pas aussi efficacement que les cellules au silicium. La puissance fournie par la lumière du soleil lors d'une journée ensoleillée est d'environ 1000 watts par mètre carré. "Pour chaque 1000 watts de lumière du soleil qui frappe une zone d'un mètre carré de la cellule solaire au silicium standard, 14 watts d'électricité seront générés, " dit Lewis Gomez De Arco, un doctorant et un membre de l'équipe qui a construit les OPV de graphène. "Les cellules solaires organiques sont moins efficaces; leur taux de conversion pour ce même millier de watts de lumière solaire dans la cellule solaire à base de graphène ne serait que de 1,3 watts."

Mais ce que les OPV au graphène manquent d'efficacité, ils peuvent potentiellement faire plus que faire baisser le prix et, une plus grande souplesse physique. Gomez De Arco pense qu'il sera peut-être possible à terme d'exploiter des presses à imprimer posant de vastes surfaces couvertes de cellules solaires bon marché, un peu comme les presses à journaux impriment des journaux.

"Ils pourraient être suspendus comme rideaux dans les maisons ou même transformés en tissu et portés comme vêtements générateurs d'électricité. " il a dit.

Les chercheurs de l'USC affirment que les OPV au graphène constitueraient une avancée majeure dans au moins un domaine crucial par rapport à une conception OPV rivale, un à base d'oxyde d'indium-étain (ITO). Dans les tests de l'équipe USC, Les cellules ITO ont échoué à un très petit angle de flexion, tandis que les cellules à base de graphène sont restées opérationnelles après des flexions répétées à des angles de contrainte beaucoup plus importants. Cela donnerait aux cellules solaires au graphène un avantage décisif dans certaines utilisations, y compris les applications imprimées sur tissu proposées par l'équipe USC.

Zhou et les autres chercheurs de l'équipe USC - dont Yi Zhang, Cody W. Schlenker, Koungmin Ryu, et Mark E. Thompson en plus de Gomez de Arco - sont enthousiasmés par le potentiel de cette technologie.

Leur article conclut que leur approche constitue une avancée significative vers la production d'électrodes conductrices transparentes dans les cellules solaires. "Le graphène CVD répond aux critères d'abondance les plus importants, à bas prix, conductivité, stabilité, compatibilité électrode/film organique, et la flexibilité nécessaires pour remplacer l'ITO dans le photovoltaïque organique, ce qui peut avoir des implications importantes pour les futurs dispositifs optoélectroniques organiques. »