(PhysOrg.com) -- Utilisation de nanotubes de carbone (tubes creux d'atomes de carbone), Les ingénieurs chimistes du MIT ont trouvé un moyen de concentrer l'énergie solaire 100 fois plus qu'une cellule photovoltaïque ordinaire. De tels nanotubes pourraient former des antennes qui captent et focalisent l'énergie lumineuse, permettant potentiellement des panneaux solaires beaucoup plus petits et plus puissants.

"Au lieu que tout votre toit soit une cellule photovoltaïque, vous pourriez avoir des petites taches qui étaient de minuscules cellules photovoltaïques, avec des antennes qui conduiraient des photons en eux, " dit Michael Strano, Charles et Hilda Roddey, professeur agrégé de génie chimique et chef de l'équipe de recherche.

Strano et ses étudiants décrivent leur nouvelle antenne à nanotubes de carbone, ou "entonnoir solaire, " dans l'édition en ligne du 12 septembre de la revue Matériaux naturels . Les auteurs principaux de l'article sont l'associée postdoctorale Jae-Hee Han et l'étudiante diplômée Geraldine Paulus.

Leurs nouvelles antennes pourraient également être utiles pour toute autre application nécessitant une concentration de la lumière, comme des lunettes de vision nocturne ou des télescopes.

Les panneaux solaires produisent de l'électricité en convertissant des photons (paquets d'énergie lumineuse) en un courant électrique. L'antenne nanotube de Strano augmente le nombre de photons qui peuvent être capturés et transforme la lumière en énergie qui peut être canalisée dans une cellule solaire.

L'antenne est constituée d'une corde fibreuse d'environ 10 micromètres (millionièmes de mètre) de long et de quatre micromètres d'épaisseur, contenant environ 30 millions de nanotubes de carbone. L'équipe de Strano s'est constituée, pour la première fois, une fibre constituée de deux couches de nanotubes avec des propriétés électriques différentes - en particulier, bandes interdites différentes.

Dans n'importe quel matériau, les électrons peuvent exister à différents niveaux d'énergie. Lorsqu'un photon frappe la surface, il excite un électron à un niveau d'énergie plus élevé, qui est spécifique au matériau. L'interaction entre l'électron excité et le trou qu'il laisse derrière s'appelle un exciton, et la différence de niveaux d'énergie entre le trou et l'électron est connue sous le nom de bande interdite.

La couche interne de l'antenne contient des nanotubes avec une petite bande interdite, et les nanotubes dans la couche externe ont une bande interdite plus élevée. C'est important parce que les excitons aiment passer d'une énergie élevée à une énergie faible. Dans ce cas, cela signifie que les excitons de la couche externe s'écoulent vers la couche interne, où ils peuvent exister dans un état d'énergie inférieur (mais toujours excité).

Par conséquent, lorsque l'énergie lumineuse frappe le matériau, tous les excitons se dirigent vers le centre de la fibre, où ils sont concentrés. Strano et son équipe n'ont pas encore construit de dispositif photovoltaïque utilisant l'antenne, mais ils prévoient de le faire. Dans un tel appareil, l'antenne concentrerait les photons avant que la cellule photovoltaïque ne les convertisse en courant électrique. Cela pourrait être fait en construisant l'antenne autour d'un noyau de matériau semi-conducteur.

L'interface entre le semi-conducteur et les nanotubes séparerait l'électron du trou, les électrons étant collectés sur une électrode touchant le semi-conducteur interne, et des trous collectés à une électrode touchant les nanotubes. Ce système générerait alors du courant électrique. L'efficacité d'une telle cellule solaire dépendrait des matériaux utilisés pour l'électrode, selon les chercheurs.

L'équipe de Strano est la première à construire des fibres de nanotubes dans lesquelles ils peuvent contrôler les propriétés de différentes couches, une réalisation rendue possible par les avancées récentes dans la séparation de nanotubes aux propriétés différentes.

Alors que le coût des nanotubes de carbone était autrefois prohibitif, il a diminué ces dernières années à mesure que les entreprises chimiques renforcent leur capacité de fabrication. « À un moment donné dans un avenir proche, les nanotubes de carbone seront probablement vendus quelques centimes la livre, au fur et à mesure que les polymères sont vendus, " dit Strano. " Avec ce coût, l'ajout à une cellule solaire peut être négligeable par rapport au coût de fabrication et de matière première de la cellule elle-même, tout comme les revêtements et les composants polymères ne représentent qu'une petite partie du coût d'une cellule photovoltaïque."

L'équipe de Strano travaille maintenant sur des moyens de minimiser l'énergie perdue lorsque les excitons traversent la fibre, et sur les moyens de générer plus d'un exciton par photon. Les faisceaux de nanotubes décrits dans le Matériaux naturels le papier perd environ 13 pour cent de l'énergie qu'il absorbe, mais l'équipe travaille sur de nouvelles antennes qui ne perdraient que 1%.