Des chercheurs de la Northwestern University ont développé un matériau à base de carbone qui pourrait révolutionner la façon dont l'énergie solaire est récoltée. Le nouveau matériau des cellules solaires – un conducteur transparent composé de nanotubes de carbone – offre une alternative à la technologie actuelle, qui est mécaniquement cassante et dépendante d'un minéral relativement rare.

En raison de l'abondance terrestre de carbone, les nanotubes de carbone ont le potentiel d'améliorer la viabilité à long terme de l'énergie solaire en offrant une option rentable à mesure que la demande pour la technologie augmente. En outre, la flexibilité mécanique du matériau pourrait permettre d'intégrer des cellules solaires dans des tissus et des vêtements, permettant des approvisionnements en énergie portables qui pourraient avoir un impact sur tout, de l'électronique personnelle aux opérations militaires.

La recherche, dirigé par Mark C. Hersam, professeur de science et génie des matériaux et professeur de chimie, et Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff Professeur de chimie catalytique et professeur de science et ingénierie des matériaux, fait la couverture du numéro d'octobre 2011 de Matériaux énergétiques avancés , une nouvelle revue spécialisée dans la science sur les matériaux utilisés dans les applications énergétiques.

Les cellules solaires sont composées de plusieurs couches, comprenant une couche conductrice transparente qui permet à la lumière de passer dans la cellule et à l'électricité de s'échapper ; pour que ces deux actions se produisent, le conducteur doit être à la fois électriquement conducteur et optiquement transparent. Peu de matériaux possèdent simultanément ces deux propriétés.

Actuellement, l'oxyde d'indium-étain est le matériau dominant utilisé dans les applications de conducteurs transparents, mais le matériau a deux limitations potentielles. L'oxyde d'indium-étain est mécaniquement cassant, ce qui exclut son utilisation dans des applications nécessitant une flexibilité mécanique. En outre, L'oxyde d'indium et d'étain repose sur l'élément relativement rare, l'indium, ainsi, la demande accrue prévue de cellules solaires pourrait pousser le prix de l'indium à des niveaux problématiquement élevés.

« Si la technologie solaire se généralise vraiment, comme tout le monde l'espère, nous aurons probablement une crise de l'approvisionnement en indium, " Hersam a déclaré. "Il y a un grand désir d'identifier les matériaux - en particulier les éléments abondants sur terre comme le carbone - qui peuvent prendre la place de l'indium dans la technologie solaire."

L'équipe d'Hersam et Marks a créé une alternative à l'oxyde d'indium et d'étain en utilisant des nanotubes de carbone monoparoi, minuscule, cylindres creux de carbone d'un nanomètre de diamètre.

Les chercheurs sont allés plus loin pour déterminer le type de nanotube le plus efficace dans les conducteurs transparents. Les propriétés des nanotubes varient en fonction de leur diamètre et de leur angle chiral, l'angle qui décrit l'arrangement des atomes de carbone le long du nanotube. Ces propriétés déterminent deux types de nanotubes :métalliques et semi-conducteurs.

Nanotubes métalliques, les chercheurs ont trouvé, sont 50 fois plus efficaces que les semi-conducteurs lorsqu'ils sont utilisés comme conducteurs transparents dans les cellules solaires organiques.

"Nous avons maintenant identifié précisément le type de nanotube de carbone qui devrait être utilisé dans cette application, " dit Hersam.

Parce que les nanotubes de carbone sont flexibles, par opposition à l'oxyde cassant d'indium-étain, les découvertes des chercheurs pourraient ouvrir la voie à de nombreuses nouvelles applications dans les cellules solaires. Par exemple, l'armée pourrait incorporer les cellules solaires flexibles dans le matériau de la tente pour fournir de l'énergie solaire directement aux soldats sur le terrain, ou les cellules pourraient être intégrées dans les vêtements, sacs à dos, ou des sacs à main pour l'électronique portable.

"Avec cette technologie mécaniquement flexible, il est beaucoup plus facile d'imaginer intégrer la technologie solaire dans la vie de tous les jours, plutôt que de transporter un grand, cellule solaire rigide, " dit Hersam.

Les chercheurs examinent maintenant d'autres couches de la cellule solaire pour explorer également leur remplacement par des nanomatériaux à base de carbone.