Professeur adjoint en science et génie des matériaux Michael Arnold. Crédit :David Nevala.
(Phys.org) - Dans une approche qui pourrait défier le silicium en tant que matériau de cellule photovoltaïque prédominant, Les ingénieurs en matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison ont développé une cellule solaire peu coûteuse qui exploite les nanotubes de carbone pour absorber et convertir l'énergie du soleil.
L'avancée pourrait conduire à des panneaux solaires tout aussi efficaces, mais beaucoup moins cher à fabriquer, que les panneaux actuels.
La cellule solaire à nanotubes de carbone de preuve de concept peut convertir près de 75 pour cent de la lumière qu'elle absorbe en électricité, dit Michael Arnold, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW-Madison et pionnier du développement de matériaux à base de nanotubes de carbone pour les applications de l'énergie solaire. « Nous avons franchi une étape clé vraiment fondamentale en démontrant qu'il sera possible d'utiliser un jour ces nouveaux matériaux de nanotubes de carbone pour les cellules solaires, " il dit.
Arnold et le doctorant Matthew Shea ont décrit le développement dans un article publié le 17 juin. 2013, dans l'édition en ligne de la revue Lettres de physique appliquée .
Le silicium est abondant et un collecteur d'énergie solaire efficace, pourtant est coûteux à transformer et à fabriquer en panneaux solaires. Par conséquent, les chercheurs étudient des matériaux alternatifs - parmi eux, nanotubes de carbone.
Les progrès récents ont permis aux chercheurs de mieux contrôler la composition chimique des nanotubes de carbone, qui à son tour a ouvert la porte à une myriade d'applications. Les tubes fins en forme de spaghetti sont faciles et peu coûteux à fabriquer, stable et durable, et sont à la fois de bons absorbeurs de lumière et de bons conducteurs électriques.
Une grande partie de la recherche actuelle sur les cellules solaires à nanotubes de carbone se concentre sur des matériaux de cellules solaires éprouvés qui utilisent des nanotubes mélangés pour conduire la charge électrique. "Cela n'utilise que la moitié des capacités offertes par les nanotubes, " dit Arnold, dont les travaux antérieurs avec les nanotubes de carbone pour transistors l'ont inspiré à explorer des applications dans l'énergie solaire.
S'appuyant sur une demi-décennie de recherche, y compris des études fondamentales menées par le doctorant Dominick Bindl, Arnold et Shea ont développé une cellule solaire qui utilise des nanotubes de carbone pour collecter la lumière et la convertir en électricité. "Nous partons de zéro et essayons d'obtenir un rendement élevé des nanotubes, " dit Arnold. " Nous essayons d'obtenir autant de conversion de puissance que possible de notre matériel, et c'est ce qui est unique dans notre travail."
Essentiellement, la cellule solaire de preuve de concept est une feuille ultrafine, ou filmer, de nanotubes de carbone superposés sur une autre feuille mince d'un matériau appelé buckminsterfullerène, ou C
L'efficacité des cellules solaires est le pourcentage d'énergie solaire qui brille sur une cellule que la cellule convertit réellement en énergie électrique. Quand Arnold et ses étudiants ont commencé cette recherche il y a cinq ans, leurs cellules solaires ont atteint des rendements de conversion d'énergie d'environ un millionième de pour cent seulement. Aujourd'hui, contrairement à l'efficacité moyenne de 15 % des cellules solaires au silicium conventionnelles, leur preuve de concept est de 1 %.
Bien que ce nombre puisse sembler faible, Arnold est optimiste, il peut augmenter, en partie parce que la couche de nanotubes de carbone capturant le soleil de la cellule solaire de preuve de concept n'a que quelques atomes d'épaisseur. Et, la cellule convertit environ 75 pour cent de la lumière solaire qu'elle absorbe en électricité. "De la lumière qui s'absorbe, nous en convertissons la plupart, " dit Arnold.
La prochaine étape pour augmenter cette efficacité est déjà en cours. Les chercheurs se concentrent maintenant sur l'augmentation de l'épaisseur du film mince de nanotubes de carbone d'à peine 5 nanomètres à au moins 100, ce qui, selon leurs modèles théoriques, pourraient finalement aligner l'efficacité de conversion d'énergie de leurs cellules solaires sur celle des cellules au silicium. "Ce que notre travail montre, c'est que vous pourrez éventuellement obtenir un rendement aussi élevé que le silicium, et c'est pourquoi nous sommes excités, " dit Arnold.
