(Phys.org) - Des scientifiques de l'Université de Stanford ont construit la première cellule solaire entièrement en carbone, une alternative prometteuse aux matériaux coûteux utilisés dans les dispositifs photovoltaïques aujourd'hui.

Les résultats sont publiés dans l'édition en ligne du 31 octobre de la revue ACS Nano .

« Le carbone a le potentiel de fournir des performances élevées à faible coût, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Zhenan Bao, professeur de génie chimique à Stanford. "Au meilleur de nos connaissances, il s'agit de la première démonstration d'une cellule solaire fonctionnelle dont tous les composants sont en carbone. Cette étude s'appuie sur des travaux antérieurs réalisés dans notre laboratoire."

Contrairement aux panneaux solaires rigides en silicium qui ornent de nombreux toits, Le prototype à couche mince de Stanford est composé de matériaux carbonés pouvant être recouverts d'une solution. "Peut-être qu'à l'avenir, nous pourrons envisager des marchés alternatifs où des cellules solaires flexibles en carbone sont enduites sur la surface des bâtiments, sur les vitres ou sur les voitures pour produire de l'électricité, " dit Bao.

La technique de revêtement a également le potentiel de réduire les coûts de fabrication, a déclaré Michael Vosgueritchian, étudiant diplômé de Stanford, co-auteur principal de l'étude avec le chercheur postdoctoral Marc Ramuz.

« Le traitement des cellules solaires à base de silicium nécessite de nombreuses étapes, " a expliqué Vosgueritchian. " Mais tout notre appareil peut être construit en utilisant des méthodes de revêtement simples qui ne nécessitent pas d'outils et de machines coûteux. "

Nanomatériaux de carbone

La cellule solaire expérimentale du groupe Bao est constituée d'une couche photoactive, qui absorbe la lumière du soleil, pris en sandwich entre deux électrodes. Dans une cellule solaire à couche mince typique, les électrodes sont constituées de métaux conducteurs et d'oxyde d'indium et d'étain (ITO). "Les matériaux comme l'indium sont rares et de plus en plus chers à mesure que la demande de cellules solaires, les panneaux à écran tactile et autres appareils électroniques se développent, " dit Bao. " Carbone, d'autre part, est peu coûteux et abondant sur Terre."

Pour l'étude, Bao et ses collègues ont remplacé l'argent et l'ITO utilisés dans les électrodes conventionnelles par du graphène - des feuilles de carbone d'un atome d'épaisseur - et des nanotubes de carbone à simple paroi de 10, 000 fois plus étroit qu'un cheveu humain. "Les nanotubes de carbone ont des propriétés extraordinaires de conductivité électrique et d'absorption de la lumière, " dit Bao.

Pour la couche active, les scientifiques ont utilisé un matériau composé de nanotubes de carbone et de « buckyballs » – des molécules de carbone en forme de ballon de football d'un nanomètre de diamètre seulement. L'équipe de recherche a récemment déposé un brevet pour l'ensemble du dispositif.

"Chaque composant de notre cellule solaire, du haut jusqu'en bas, est fait de matériaux de carbone, " a déclaré Vosgueritchian. " D'autres groupes ont signalé la fabrication de cellules solaires tout en carbone, mais ils ne faisaient référence qu'à la couche active au milieu, pas les électrodes."

Un inconvénient du prototype tout carbone est qu'il absorbe principalement les longueurs d'onde de la lumière proche infrarouge, contribuant à une efficacité de laboratoire de moins de 1 pour cent - beaucoup plus faible que les cellules solaires disponibles dans le commerce. « Nous avons clairement un long chemin à parcourir en matière d'efficacité, " a dit Bao. " Mais avec de meilleurs matériaux et de meilleures techniques de traitement, nous nous attendons à ce que l'efficacité augmente considérablement."

Améliorer l'efficacité

L'équipe de Stanford étudie diverses façons d'améliorer l'efficacité. "La rugosité peut court-circuiter l'appareil et rendre difficile la collecte du courant, " a déclaré Bao. " Nous devons trouver comment rendre chaque couche très lisse en empilant très bien les nanomatériaux. "

Les chercheurs expérimentent également des nanomatériaux de carbone capables d'absorber plus de lumière dans une plus large gamme de longueurs d'onde, y compris le spectre visible.

"Les matériaux en carbone sont très robustes, " a déclaré Bao. "Ils restent stables dans des températures de l'air de près de 1, 100 degrés Fahrenheit."

La capacité des cellules solaires au carbone à surpasser les appareils conventionnels dans des conditions extrêmes pourrait surmonter le besoin d'une plus grande efficacité, selon Vosgueritchian. "Nous pensons que les cellules solaires tout carbone pourraient être utilisées dans des environnements extrêmes, comme à des températures élevées ou à un stress physique élevé, ", a-t-il déclaré. "Mais évidemment, nous voulons la plus grande efficacité possible et nous travaillons sur des moyens d'améliorer notre appareil."

"Le photovoltaïque sera certainement une source d'énergie très importante que nous exploiterons à l'avenir, " a déclaré Bao. "Nous avons beaucoup de soleil disponible. Nous devons trouver un moyen d'utiliser cette ressource naturelle qui nous est donnée."