Agissant comme un gaufrier, nanodômes de silicium, chacun environ 300 nanomètres de diamètre et 200 nanomètres de haut, imprimer un motif en nid d'abeille de fossettes à l'échelle nanométrique dans une couche de métal à l'intérieur de la cellule solaire.
(PhysOrg.com) - Les ingénieurs de Stanford ont réussi à exploiter la plasmonique - une branche émergente de la science et de la technologie - pour piéger plus efficacement la lumière dans les cellules solaires minces. Par conséquent, nous sommes un pas de plus vers mince, cellules solaires bon marché.
Les chercheurs en énergie solaire parlent d'un jour où des millions de mètres carrés autrement en jachère de toits inondés de soleil, les fenêtres, les déserts et même les vêtements seront intégrés à des cellules solaires bon marché qui sont plusieurs fois plus minces et plus légères que les panneaux de toit encombrants que l'on connaît aujourd'hui.
Donc, lorsque votre iPod est sur le signe de la tête, vous pouvez le brancher sur votre chemise pour le recharger. Perdu dans le Serengeti avec un téléphone portable sapé ? Aucun problème; roulé dans votre sac à dos est un coussin solaire léger. Vous naviguez sur les sept mers et votre GPS a besoin de jus ? Hissez une voile solaire et ne faites qu'un avec les dieux de l'orbite géosynchrone.
Il n'est pas difficile d'imaginer un moment où ces technologies seront omniprésentes dans nos vies de plus en plus énergivores. Ce jour viendra peut-être un peu plus tôt grâce à une équipe multidisciplinaire d'ingénieurs de Stanford dirigée par Mike McGehee, Yi Cui et Mark Brongersma, et rejoint par Michael Graetzel à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).
Des vagues d'énergie
Dans un article publié dans Matériaux avancés d'énergie , l'équipe Stanford/EPFL a annoncé un nouveau type de cellule solaire mince qui pourrait offrir une nouvelle direction pour le domaine. Ils ont réussi à exploiter la plasmonique - une branche émergente de la science et de la technologie - pour piéger plus efficacement la lumière dans les cellules solaires minces afin d'améliorer les performances et de les rapprocher un peu plus de la réalité quotidienne.
"La plasmonique permet d'améliorer beaucoup plus facilement l'efficacité des cellules solaires, " dit McGehee, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford.
McGehee est le directeur du CAMP – le Center for Advanced Molecular Photovoltaics – un centre multidisciplinaire, équipe multi-universitaire s'attaquant aux défis des cellules solaires à couches minces.
"En utilisant la plasmonique, nous pouvons absorber la lumière dans des films plus minces que jamais auparavant, " dit McGehee. " Plus le film est fin, plus les particules chargées sont proches des électrodes. En substance, plus d'électrons peuvent atteindre l'électrode pour devenir de l'électricité."
La plasmonique est l'étude de l'interaction de la lumière et du métal. Dans des circonstances précises, ces interactions créent un flux de haute fréquence, des ondes électriques denses plutôt que des particules électroniques. L'impulsion électronique se déplace en ondes extrêmement rapides de densité plus ou moins grande, comme un son dans l'air.
Une gaufre solaire parfaite
Le moment de l'ampoule pour l'équipe est venu quand ils ont imprimé un motif en nid d'abeille de fossettes à l'échelle nanométrique dans une couche de métal à l'intérieur de la cellule solaire. Pensez-y comme une gaufre à l'échelle nanométrique, seules les bosses sur le gaufrier sont des dômes plutôt que des cubes - des nanodômes pour être exact, chacun seulement quelques milliardièmes de mètre de diamètre.
Pour façonner leur gaufre, McGehee et les membres de l'équipe étalent une fine couche de pâte sur un fond transparent, base électriquement conductrice. Cette pâte est principalement du titane, un métal semi-poreux qui est également transparent à la lumière. Prochain, ils utilisent leur nano gaufrier pour imprimer les fossettes dans la pâte. Prochain, ils superposent du beurre - un colorant sensible à la lumière - qui suinte dans les fossettes et les pores de la gaufre. Dernièrement, les ingénieurs ajoutent du sirop – une couche d'argent, qui durcit presque immédiatement.
Le titane à l'intérieur de la cellule solaire est imprimé par les nanodômes de silicium comme une gaufre imprimée par le fer.
Quand toutes ces nanofossettes se rempliront, le résultat est un motif de nanodômes sur le côté clair de l'argent.
Cette couche bosselée d'argent a deux avantages principaux. D'abord, il agit comme un miroir, la diffusion de la lumière non absorbée dans le colorant pour un autre coup à la collecte. Seconde, la lumière interagit avec les nanodômes d'argent pour produire des effets plasmoniques. Ces dômes d'argent sont cruciaux. Les réflecteurs sans eux ne produiront pas l'effet souhaité. Et n'importe quel vieux nanodôme ne fera pas l'affaire non plus; ils doivent avoir juste le bon diamètre et la bonne hauteur, et espacé juste ainsi, pour optimiser pleinement la plasmonique.
Si vous imaginez votre nanoself observant une de ces cellules solaires au ralenti, vous verriez des photons entrer et traverser la base transparente et l'oxyde de titane (la gaufre), à quel point certains photons seraient absorbés par le colorant photosensible (le beurre), créer un courant électrique. La plupart des photons restants frapperaient le réflecteur arrière argenté (le sirop durci) et rebondiraient dans la cellule solaire. Une certaine partie des photons qui atteignent l'argent, cependant, frappera les nanodômes et provoquera le passage des ondes plasmoniques vers l'extérieur. Et voilà – la toute première cellule solaire plasmonique à colorant.
Piégeant la lumière fantastique
Il est facile de comprendre pourquoi les chercheurs se concentrent sur la technologie solaire à couche mince. Dans les années récentes, beaucoup d'espoir a été dirigé vers ces poids légers, cellules flexibles qui utilisent des colorants photosensibles pour générer de l'électricité. Ces cellules présentent de nombreux avantages :Elles sont moins énergivores et moins coûteuses à produire, coulant comme du papier journal sur d'énormes presses à rouleaux. Ils sont même plus minces que les autres cellules solaires « minces ». Ils sont également imprimables sur des bases flexibles qui peuvent être enroulées et emportées pratiquement n'importe où. Beaucoup utilisent non toxique, matériaux disponibles en abondance, ainsi - un énorme plus dans la poussée pour la durabilité.
Les cellules solaires à colorant ne sont pas sans défis, toutefois. Tout d'abord, les meilleurs ne convertissent qu'un faible pourcentage de lumière en électricité – environ 8 %. Les technologies commerciales les plus volumineuses disponibles aujourd'hui ont atteint une efficacité de 25 pour cent, et certaines applications avancées ont dépassé les 40 pour cent. Et puis il y a la durabilité. La dernière cellule solaire mince durera environ sept ans sous une exposition continue aux éléments. Pas mal jusqu'à ce que l'on considère que 20 à 30 ans est la norme commerciale.
L'efficacité et la fiabilité devront s'améliorer. Néanmoins, des ingénieurs comme McGehee pensent que s'ils peuvent convertir seulement 15 pour cent de la lumière en électricité - un chiffre qui n'est pas hors de portée - et allonger la durée de vie à une décennie, nous pourrions bientôt nous retrouver à l'ère des cellules solaires personnelles. Une avancée comme la plasmonique pourrait bien fournir l'étincelle nécessaire pour amener le domaine sur une nouvelle voie passionnante.
Une question d'économie
Moins cher et plus propre seront les clés. L'énergie à base de charbon est abondante et bon marché, mais a également un coût environnemental élevé dans les paysages creusés et les cieux pollués. Aux tarifs commerciaux d'aujourd'hui, cependant, même les meilleures alternatives solaires coûtent cinq fois plus par kilowattheure que le charbon. Il est clair que l'économie, et non la technologie, est ce qui nous sépare de notre avenir solaire.
Mais McGehee et d'autres sont convaincus qu'ils peuvent rendre les cellules solaires minces plus attrayantes.
