Des chercheurs du MIT ont produit un nouveau type de cellule photovoltaïque à base de feuilles de graphène flexible recouvertes d'une couche de nanofils. L'approche pourrait conduire à un faible coût, des cellules solaires transparentes et flexibles pouvant être déployées sur les fenêtres, toits ou autres surfaces.

La nouvelle approche est détaillée dans un rapport publié dans la revue Lettres nano , co-écrit par les post-doctorants du MIT Hyesung Park et Sehoon Chang, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux Silvija Gradečak, et huit autres chercheurs du MIT.

Alors que la plupart des cellules solaires d'aujourd'hui sont en silicium, ceux-ci restent chers car le silicium est généralement très purifié puis transformé en cristaux finement tranchés. De nombreux chercheurs explorent des alternatives, comme les cellules solaires nanostructurées ou hybrides; l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) est utilisé comme électrode transparente dans ces nouvelles cellules solaires.

"Actuellement, L'ITO est le matériau de choix pour les électrodes transparentes, " Gradečak dit, comme dans les écrans tactiles désormais utilisés sur les smartphones. Mais l'indium utilisé dans ce composé est cher, tandis que le graphène est fabriqué à partir de carbone omniprésent.

Le nouveau matériel, Gradečak dit, peut être une alternative à l'ITO. En plus de son moindre coût, il offre d'autres avantages, y compris la flexibilité, faible poids, résistance mécanique et robustesse chimique.

Construire des nanostructures semi-conductrices directement sur une surface de graphène vierge sans altérer ses propriétés électriques et structurelles a été un défi en raison de la structure stable et inerte du graphène, Gradečak explique. Son équipe a donc utilisé une série de revêtements polymères pour modifier ses propriétés, leur permettant de lui lier une couche de nanofils d'oxyde de zinc, puis une superposition d'un matériau qui répond aux ondes lumineuses, soit des points quantiques de sulfure de plomb, soit un type de polymère appelé P3HT.

Malgré ces modifications, Gradečak dit, les propriétés innées du graphène restent intactes, fournissant des avantages significatifs dans le matériau hybride résultant.

"Nous avons démontré que les appareils à base de graphène ont une efficacité comparable à l'ITO, " dit-elle - dans le cas de la superposition de points quantiques, un rendement global de conversion de puissance de 4,2 %, soit moins que le rendement des cellules au silicium à usage général, mais compétitif pour les applications spécialisées. « Nous sommes les premiers à faire la démonstration de cellules solaires au graphène-nanofil sans sacrifier les performances de l'appareil. »

En outre, contrairement à la croissance à haute température d'autres semi-conducteurs, un processus basé sur une solution pour déposer des nanofils d'oxyde de zinc sur des électrodes de graphène peut être entièrement réalisé à des températures inférieures à 175 degrés Celsius, dit Chang, un post-doctorant au Département de science et d'ingénierie des matériaux (DMSE) du MIT et un auteur principal de l'article. Les cellules solaires au silicium sont généralement traitées à des températures nettement plus élevées.

Le processus de fabrication est hautement évolutif, ajoute Park, l'autre auteur principal et un post-doctorant en DMSE et au département de génie électrique et informatique du MIT. Le graphène est synthétisé par un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur, puis recouvert des couches de polymère. "La taille n'est pas un facteur limitant, et le graphène peut être transféré sur divers substrats cibles tels que le verre ou le plastique, " dit Parc.

Gradečak prévient que bien que l'évolutivité des cellules solaires n'ait pas encore été démontrée - elle et ses collègues n'ont fabriqué que des dispositifs de validation de principe d'un demi-pouce - elle ne prévoit aucun obstacle à la fabrication de plus grandes tailles. « Je crois que d'ici quelques années, nous pourrions voir des appareils [commerciaux] » basés sur cette technologie, elle dit.

Lászlo Forró, professeur à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse, qui n'était pas associé à cette recherche, dit que l'idée d'utiliser le graphène comme électrode transparente était « déjà dans l'air, " mais n'avait pas réellement été réalisé.

« À mon avis, ce travail est une véritable percée, " Forró dit. "Excellent travail à tous égards."

Il prévient que « la route est encore longue pour entrer dans de vraies applications, il y a beaucoup de problèmes à résoudre, " mais ajoute que " la qualité de l'équipe de recherche autour de ce projet … garantit le succès ".

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.