Les scientifiques de l'Université de Stanford ont créé le plus mince, absorbeur de lumière visible le plus efficace jamais enregistré. La structure nanométrique, des milliers de fois plus mince qu'une feuille de papier ordinaire, pourrait réduire le coût et améliorer l'efficacité des cellules solaires, selon les scientifiques. Leurs résultats sont publiés dans l'édition en ligne actuelle de la revue Lettres nano .

"Atteindre une absorption complète de la lumière visible avec une quantité minimale de matériau est hautement souhaitable pour de nombreuses applications, y compris la conversion de l'énergie solaire en carburant et en électricité, " a déclaré Stacey Bent, professeur de génie chimique à Stanford et membre de l'équipe de recherche. "Nos résultats montrent qu'il est possible pour une couche de matériau extrêmement mince d'absorber près de 100 pour cent de la lumière incidente d'une longueur d'onde spécifique."

Les cellules solaires plus minces nécessitent moins de matériel et coûtent donc moins cher. Le défi pour les chercheurs est de réduire l'épaisseur de la cellule sans compromettre sa capacité à absorber et à convertir la lumière du soleil en énergie propre.

Pour l'étude, l'équipe de Stanford a créé de fines plaquettes parsemées de milliards de particules rondes d'or. Chaque nanopoint d'or mesurait environ 14 nanomètres de haut et 17 nanomètres de large.

Spectre visible

Une cellule solaire idéale serait capable d'absorber tout le spectre de la lumière visible, des ondes lumineuses violettes de 400 nanomètres de long aux ondes rouges de 700 nanomètres de long, ainsi que la lumière ultraviolette et infrarouge invisible. Dans l'expérience, Le chercheur postdoctoral Carl Hagglund et ses collègues ont réussi à régler les nanopoints d'or pour absorber une lumière provenant d'un point du spectre :des ondes lumineuses rouge-orange d'environ 600 nanomètres de long.

"Un peu comme une corde de guitare, qui a une fréquence de résonance qui change lorsque vous l'accordez, les particules métalliques ont une fréquence de résonance qui peut être ajustée pour absorber une longueur d'onde particulière de la lumière, " dit Hagglund, auteur principal de l'étude. "Nous avons ajusté les propriétés optiques de notre système pour maximiser l'absorption de la lumière."

Les plaquettes remplies de nanopoints d'or ont été fabriquées dans une installation Hitachi voisine à l'aide d'une technique appelée lithographie par copolymère bloc. Chaque plaquette contenait environ 520 milliards de nanopoints par pouce carré. Sous le microscope, le réseau hexagonal de particules faisait penser à un nid d'abeilles.

L'équipe de Hagglund a ajouté un revêtement en couche mince sur les plaquettes en utilisant un processus appelé dépôt de couche atomique. "C'est une technique très attractive, parce que vous pouvez enrober les particules uniformément et contrôler l'épaisseur du film jusqu'au niveau atomique, " dit-il. " Cela nous a permis de régler le système simplement en changeant l'épaisseur du revêtement autour des points. Les gens ont construit des tableaux comme celui-ci, mais ils ne les ont pas réglés sur les conditions optimales pour l'absorption de la lumière. C'est un aspect nouveau de notre travail."

Enregistrez les résultats

Les résultats ont été record. "Les plaquettes enduites ont absorbé 99% de la lumière rouge-orange, " Hagglund a déclaré. "Nous avons également atteint 93 pour cent d'absorption dans les nanodots d'or eux-mêmes. Le volume de chaque point équivaut à une couche d'or de seulement 1,6 nanomètre d'épaisseur, ce qui en fait l'absorbeur de lumière visible le plus mince jamais enregistré - environ 1, 000 fois plus mince que les absorbeurs de cellules solaires à couche mince disponibles dans le commerce."

Le précédent détenteur du record avait besoin d'une couche absorbante trois fois plus épaisse pour atteindre l'absorption totale de la lumière, il ajouta. « Nous avons donc considérablement repoussé les limites de ce qui peut être réalisé pour la récolte de lumière en optimisant ces ultrafins, systèmes de nano-ingénierie, " a déclaré Hagglund.

La prochaine étape pour l'équipe de Stanford est de démontrer que la technologie peut être utilisée dans de vraies cellules solaires.

« Nous envisageons maintenant de construire des structures utilisant des matériaux semi-conducteurs ultrafins capables d'absorber la lumière du soleil, " dit Bent, co-directeur du Stanford Center on Nanostructuring for Efficient Energy Conversion (CNEEC). "Ces prototypes seront ensuite testés pour voir avec quelle efficacité nous pouvons réaliser la conversion de l'énergie solaire."

Dans l'expérience, les chercheurs ont appliqué trois types de revêtements - sulfure d'étain, oxyde de zinc et oxyde d'aluminium - sur différentes matrices de nanopoints. "Aucun de ces revêtements n'absorbe la lumière, " a déclaré Hagglund. " Mais il a été démontré théoriquement que si vous appliquez un revêtement semi-conducteur, vous pouvez déplacer l'absorption des particules métalliques vers les matériaux semi-conducteurs. Cela créerait des porteurs de charge énergétiques à plus longue durée de vie qui pourraient être canalisés dans un processus utile, comme fabriquer un courant électrique ou synthétiser du carburant."

But final

Le but ultime, Bent ajouté, est de développer des cellules solaires et des dispositifs à combustible solaire améliorés en limitant l'absorption de la lumière solaire à la plus petite quantité de matériau possible. "Cela offre un avantage en minimisant le matériel nécessaire pour construire l'appareil, bien sûr, " a-t-elle dit. " Mais l'on s'attend à ce que cela permette également une plus grande efficacité, parce que par conception, les porteurs de charge seront produits très près de l'endroit où ils sont souhaités, c'est-à-dire près de l'endroit où ils seront collectés pour produire un courant électrique ou pour entraîner une réaction chimique."

Les scientifiques envisagent également des matrices de nanopoints constituées de métaux moins chers. "Nous avons choisi l'or parce qu'il était plus stable chimiquement pour notre expérience, " a déclaré Hagglund. "Bien que le coût de l'or était pratiquement négligeable, l'argent est moins cher et meilleur d'un point de vue optique si vous voulez faire une bonne cellule solaire. Notre appareil représente une réduction d'épaisseur de plusieurs ordres de grandeur. Cela suggère que nous pouvons éventuellement réduire considérablement l'épaisseur des cellules solaires."