Une approche prometteuse pour fabriquer des cellules solaires peu coûteuses, léger et flexible est d'utiliser organique (c'est-à-dire, composés contenant du carbone) au lieu de coûteux, silicium hautement purifié. Mais un problème persistant a ralenti le développement de telles cellules :les chercheurs ont eu du mal à trouver des matériaux appropriés pour que les électrodes transportent le courant vers et depuis les cellules. Spécifiquement, il a été difficile de fabriquer des électrodes en utilisant des matériaux qui peuvent correspondre à la flexibilité des cellules organiques, transparence et faible coût.

Le matériau standard utilisé jusqu'à présent pour ces électrodes est l'oxyde d'indium-étain, ou ITO. Mais l'indium est cher et relativement rare, la recherche d'un remplaçant approprié a donc été lancée. Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT a mis au point un moyen pratique d'utiliser un éventuel substitut à base de carbone peu coûteux et omniprésent. Le matériau proposé est le graphène, une forme de carbone dans laquelle les atomes forment une feuille plate d'à peine un atome d'épaisseur, disposés en une formation semblable à du grillage.

Une analyse de l'utilisation du graphène comme électrode pour de telles cellules solaires a été publiée le 17 décembre dans le journal Nanotechnologie , dans un article des professeurs du MIT Jing Kong et Vladimir Bulović avec deux de leurs étudiants et un chercheur postdoctoral.

Le graphène est transparent, de sorte que les électrodes fabriquées à partir de celui-ci puissent être appliquées aux cellules solaires organiques transparentes sans bloquer la lumière entrante. En outre, il est souple, comme les cellules solaires organiques elles-mêmes, il pourrait donc faire partie d'installations qui nécessitent que le panneau suive les contours d'une structure, comme un toit à motifs. ITO, par contre, est raide et cassant.

Le plus gros problème pour faire fonctionner le graphène comme électrode pour les cellules solaires organiques a été de faire adhérer le matériau au panneau. Le graphène repousse l'eau, les procédures typiques pour produire une électrode sur la surface en déposant le matériau à partir d'une solution ne fonctionneront donc pas.

L'équipe a essayé diverses approches pour modifier les propriétés de surface de la cellule ou utiliser des solutions autres que l'eau pour déposer le carbone à la surface, mais aucun de ceux-ci n'a bien fonctionné, dit Kong. Mais ensuite, ils ont découvert que le "dopage" de la surface, c'est-à-dire introduire un ensemble d'impuretés dans la surface - a changé son comportement, et a permis au graphène de se lier étroitement. En prime, il s'est avéré que le dopage a également amélioré la conductivité électrique du matériau.

Alors que les caractéristiques spécifiques de l'électrode de graphène diffèrent de celles de l'ITO qu'elle remplacerait, ses performances globales dans une cellule solaire sont très similaires, dit Kong. Et la flexibilité et la légèreté des cellules solaires organiques avec électrodes en graphène pourraient ouvrir une variété d'applications différentes qui ne seraient pas possibles avec les panneaux solaires conventionnels à base de silicium d'aujourd'hui, elle dit. Par exemple, en raison de leur transparence, ils pourraient être appliqués directement aux fenêtres sans bloquer la vue, et ils pourraient être appliqués sur des surfaces irrégulières de murs ou de toits. En outre, ils pourraient être empilés sur d'autres panneaux solaires, augmenter la quantité d'énergie produite à partir d'une zone donnée. Et ils pourraient même être pliés ou enroulés pour un transport facile.

Alors que cette recherche cherchait à adapter le graphène pour remplacer l'une des deux électrodes d'un panneau solaire, Kong et ses collègues essaient maintenant de l'adapter également à l'autre électrode. En outre, l'utilisation généralisée de cette technologie nécessitera de nouvelles techniques pour la fabrication à grande échelle de graphène - un domaine de recherche très active. Les travaux en cours ont été financés par l'Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Center et une bourse de recherche NSF.

Pierre Peumans, professeur adjoint de génie électrique à l'Université de Stanford, qui n'a pas participé à cette étude, dit que les cellules solaires organiques ne deviendront probablement pratiques qu'avec le développement d'une technologie d'électrode transparente qui est à la fois moins chère et plus robuste que les oxydes métalliques conventionnels. D'autres matériaux sont à l'étude comme substituts possibles, il dit, mais ce travail représente « un progrès très important » pour faire du graphène une électrode transparente de remplacement crédible.

« D'autres groupes avaient déjà montré que le graphène présentait de bonnes combinaisons de transparence et de résistance en feuille, mais personne n'a été en mesure d'atteindre une performance avec des électrodes de graphène qui correspond à celle des appareils sur électrodes à oxyde métallique (ITO) conventionnelles, », dit Peumans. "Ce travail est une avancée substantielle pour faire du graphène un candidat de premier plan."