Le soleil fournit plus qu'assez d'énergie pour tous nos besoins, si seulement nous pouvions l'exploiter à moindre coût et efficacement. L'énergie solaire pourrait fournir une alternative propre aux combustibles fossiles, mais le coût élevé des cellules solaires a été un obstacle majeur à leur utilisation généralisée.

Des chercheurs de Stanford ont découvert que l'ajout d'une seule couche de molécules organiques à une cellule solaire peut multiplier par trois son efficacité et peut conduire à moins cher, panneaux solaires plus efficaces. Leurs résultats ont été publiés en ligne dans ACS Nano le 7 février.

Le professeur de génie chimique Stacey Bent s'est intéressé pour la première fois à un nouveau type de technologie solaire il y a deux ans. Ces cellules solaires utilisaient de minuscules particules de semi-conducteurs appelées « points quantiques ». Les cellules solaires à points quantiques sont moins chères à produire que les cellules traditionnelles, car ils peuvent être fabriqués à l'aide de réactions chimiques simples. Mais malgré leur promesse, leur efficacité était bien inférieure à celle des cellules solaires existantes.

"Je me demandais si nous pouvions utiliser nos connaissances en chimie pour améliorer leur efficacité, "
dit Bent. Si elle pouvait faire ça, le coût réduit de ces cellules solaires pourrait conduire à une adoption massive de la technologie.

Bent discutera de ses recherches dimanche, 20 février à la réunion annuelle de l'American Association for the Advancement of Science à Washington, D.C.

En principe, les cellules à points quantiques peuvent atteindre une efficacité beaucoup plus élevée, Bent a dit, en raison d'une limitation fondamentale des cellules solaires traditionnelles.

Les cellules solaires fonctionnent en utilisant l'énergie du soleil pour exciter les électrons. Les électrons excités sautent d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau supérieur, laissant derrière lui un "trou" là où se trouvait l'électron. Les cellules solaires utilisent un semi-conducteur pour attirer un électron dans une direction, et un autre matériau pour tirer le trou dans l'autre sens. Ce flux d'électrons et de trous dans des directions différentes conduit à un courant électrique.

Mais il faut une certaine énergie minimale pour séparer complètement l'électron et le trou. La quantité d'énergie requise est spécifique à différents matériaux et affecte quelle couleur, ou longueur d'onde, de lumière que le matériau absorbe le mieux. Le silicium est couramment utilisé pour fabriquer des cellules solaires car l'énergie nécessaire pour exciter ses électrons correspond étroitement à la longueur d'onde de la lumière visible.

Mais les cellules solaires faites d'un seul matériau ont une efficacité maximale d'environ 31 pour cent, une limitation du niveau d'énergie fixe qu'ils peuvent absorber.

Les cellules solaires à points quantiques ne partagent pas cette limitation et peuvent en théorie être beaucoup plus efficaces. Les niveaux d'énergie des électrons dans les semi-conducteurs à points quantiques dépendent de leur taille - plus le point quantique est petit, plus l'énergie nécessaire pour exciter les électrons au niveau suivant est élevée.

Ainsi, les points quantiques peuvent être réglés pour absorber une certaine longueur d'onde de lumière simplement en changeant leur taille. Et ils peuvent être utilisés pour construire des cellules solaires plus complexes qui ont plus d'une taille de point quantique, leur permettant d'absorber plusieurs longueurs d'onde de lumière.

En raison de ces avantages, Bent et ses étudiants ont étudié des moyens d'améliorer l'efficacité des cellules solaires à points quantiques, avec le professeur agrégé Michael McGehee du département de science et génie des matériaux.

Les chercheurs ont recouvert un semi-conducteur de dioxyde de titane dans leur cellule solaire à points quantiques avec une très fine couche unique de molécules organiques. Ces molécules s'auto-assemblaient, ce qui signifie que leurs interactions les ont amenés à se regrouper de manière ordonnée. Les boîtes quantiques étaient présentes à l'interface de cette couche organique et du semi-conducteur. Les étudiants de Bent ont essayé plusieurs molécules organiques différentes pour tenter d'apprendre lesquelles augmenteraient le plus l'efficacité des cellules solaires.

Mais elle a découvert que la molécule exacte n'avait pas d'importance – il suffisait d'avoir une seule couche organique de moins d'un nanomètre d'épaisseur pour tripler l'efficacité des cellules solaires. "Nous étions surpris, nous pensions que ce serait très sensible à ce que nous déposons, " dit Bent.

Mais elle a dit que le résultat avait du sens avec le recul, et les chercheurs ont proposé un nouveau modèle - c'est la longueur de la molécule, et non sa nature exacte, c'est important. Les molécules trop longues ne permettent pas aux points quantiques de bien interagir avec le semi-conducteur.

La théorie de Bent est qu'une fois que l'énergie du soleil crée un électron et un trou, la fine couche organique permet de les séparer, les empêchant de se recombiner et d'être gaspillés. Le groupe doit encore optimiser les cellules solaires, et ils ont actuellement atteint une efficacité de, au plus, 0,4 pour cent. Mais le groupe peut régler plusieurs aspects de la cellule, et une fois qu'ils le font, le triplement provoqué par la couche organique serait encore plus important.

Bent a déclaré que les points quantiques de sulfure de cadmium qu'elle utilise actuellement ne sont pas idéaux pour les cellules solaires, et le groupe essaiera différents matériaux. Elle a dit qu'elle essaierait également d'autres molécules pour la couche organique, et pourrait changer la conception de la cellule solaire pour essayer d'absorber plus de lumière et de produire plus de charge électrique. Une fois que Bent a trouvé un moyen d'augmenter l'efficacité des cellules solaires à points quantiques, elle a dit qu'elle espère que leur coût inférieur conduira à une plus large acceptation de l'énergie solaire.