Environ 40 % de l'énergie solaire atteignant la surface de la Terre se trouve dans la région du proche infrarouge du spectre - une énergie que les cellules solaires conventionnelles à base de silicium sont incapables d'exploiter. Mais un nouveau type de cellule solaire tout carbone développé par des chercheurs du MIT pourrait puiser dans cette énergie inutilisée, ouvrant la possibilité de combiner des cellules solaires - incorporant à la fois des cellules traditionnelles à base de silicium et les nouvelles cellules tout carbone - qui pourraient utiliser presque toute la gamme d'énergie solaire.

« C’est un type fondamentalement nouveau de cellule photovoltaïque, " dit Michael Strano, le professeur Charles et Hilda Roddey de génie chimique au MIT et auteur principal d'un article décrivant le nouveau dispositif qui a été publié cette semaine dans le journal Matériaux avancés .

La nouvelle cellule est constituée de deux formes exotiques de carbone :les nanotubes de carbone et le C60, autrement connu sous le nom de buckyballs. « C'est la première cellule photovoltaïque tout carbone, ", dit Strano - un exploit rendu possible par de nouveaux développements dans la production à grande échelle de nanotubes de carbone purifiés. "Ce n'est qu'au cours des dernières années environ qu'il a été possible de remettre à quelqu'un un flacon d'un seul type de nanotube de carbone, " dit-il. Pour que les nouvelles cellules solaires fonctionnent, les nanotubes doivent être très purs, et de type uniforme :simple paroi, et le tout d'une seule des deux configurations symétriques possibles des nanotubes.

D'autres groupes ont fabriqué des cellules photovoltaïques (PV) à l'aide de nanotubes de carbone, mais uniquement en utilisant une couche de polymère pour maintenir les nanotubes en place et collecter les électrons libérés lorsqu'ils absorbent la lumière du soleil. Mais cette combinaison ajoute des étapes supplémentaires au processus de production, et nécessite des revêtements supplémentaires pour empêcher la dégradation avec l'exposition à l'air. La nouvelle cellule photovoltaïque tout carbone semble être stable dans l'air, dit Strano.

La cellule à base de carbone est la plus efficace pour capturer la lumière du soleil dans le proche infrarouge. Parce que le matériau est transparent à la lumière visible, ces cellules pourraient être superposées sur des cellules solaires conventionnelles, créer un appareil en tandem qui pourrait exploiter la majeure partie de l'énergie de la lumière du soleil. Les cellules de carbone auront besoin d'être affinées, Strano et ses collègues disent :Jusqu'à présent, les premiers dispositifs de validation de principe ont une efficacité de conversion d'énergie d'environ 0,1 pour cent seulement.

Mais alors que le système nécessite des recherches supplémentaires et des ajustements, « nous sommes sur la bonne voie pour fabriquer des cellules solaires dans le proche infrarouge à très haut rendement, " dit Rishabh Jain, un étudiant diplômé qui était l'auteur principal de l'article.

Parce que le nouveau système utilise des couches de matériaux à l'échelle nanométrique, la production des cellules nécessiterait des quantités relativement faibles de carbone hautement purifié, et les cellules résultantes seraient très légères, dit l'équipe. « L'un des avantages des nanotubes de carbone est que leur absorption lumineuse est très élevée, vous n'avez donc pas besoin de beaucoup de matière pour absorber beaucoup de lumière, " dit Jain.

Typiquement, lorsqu'un nouveau matériau de cellule solaire est étudié, il y a de grandes inefficacités, que les chercheurs trouvent progressivement des moyens de réduire. Dans ce cas, postdoc et co-auteur Kevin Tvrdy dit, certaines de ces sources d'inefficacité ont déjà été identifiées et traitées :par exemple, les scientifiques savent déjà que les mélanges hétérogènes de nanotubes de carbone sont bien moins efficaces que les formulations homogènes, et les matériaux qui contiennent un mélange de nanotubes monoparois et multiparois sont tellement moins efficaces que parfois ils ne fonctionnent pas du tout, il dit.

« Il est assez clair pour nous le genre de choses qui doivent se produire pour augmenter l'efficacité, " dit Jain. Un domaine que les chercheurs du MIT explorent actuellement est un contrôle plus précis de la forme et de l'épaisseur exactes des couches de matériau qu'ils produisent, il dit.

L'équipe espère que d'autres chercheurs se joindront à la recherche de moyens d'améliorer leur système, dit Jain. "C'est vraiment un système modèle, " dit-il, "et d'autres groupes contribueront à augmenter l'efficacité."

Mais Strano souligne que puisque la partie proche infrarouge du spectre solaire est actuellement entièrement inutilisée par les cellules solaires typiques, même une cellule à faible efficacité qui fonctionne dans cette région pourrait valoir la peine tant que son coût est faible. « Si vous pouviez exploiter ne serait-ce qu'une partie du spectre du proche infrarouge, il ajoute de la valeur, " dit-il.

Strano ajoute que l'un des évaluateurs anonymes de l'article a déclaré que la réalisation d'une cellule photovoltaïque à base de carbone absorbant les infrarouges sans couches de polymère est la réalisation d'un "rêve pour le domaine".

Michel Arnold, un professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université du Wisconsin à Madison qui n'était pas impliqué dans cette recherche, dit, "Les nanotubes de carbone offrent des possibilités alléchantes pour augmenter l'efficacité des cellules solaires et sont un peu comme des polymères photovoltaïques sur des stéroïdes." Ce travail, il dit, « est passionnant car il démontre la conversion de l'énergie photovoltaïque à l'aide d'une couche active entièrement constituée de carbone. » ajoute-t-il, « Cela semble être une direction très prometteuse qui permettra à terme de mieux exploiter la promesse des nanotubes. »

Le travail a également impliqué Rachel Howden, étudiante diplômée du MIT, Steven Shimizu et Andrew Hilmer; post-doctorant Thomas McNicholas; et professeur de génie chimique Karen Gleason. Il a été soutenu par la société italienne Eni à travers la MIT Energy Initiative, ainsi que la National Science Foundation et le ministère de la Défense grâce à des bourses d'études supérieures à Jain et Howden, respectivement.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.