Cela montre des dispositifs LSC à points quantiques sous un éclairage ultraviolet. Crédit :Laboratoire national de Los Alamos
(Phys.org) - Une fenêtre de maison qui sert également de panneau solaire pourrait être à l'horizon, grâce aux récents travaux sur les points quantiques des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Milano-Bicocca (UNIMIB), Italie. Leur projet démontre que les propriétés émettrices de lumière supérieures des points quantiques peuvent être appliquées à l'énergie solaire en aidant à récolter plus efficacement la lumière du soleil.
« La principale réalisation est la démonstration de concentrateurs solaires luminescents à grande surface qui utilisent une nouvelle génération de points quantiques spécialement conçus, ", a déclaré le chercheur principal Victor Klimov du Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) de Los Alamos.
Les points quantiques sont de très petits morceaux de matière semi-conductrice qui peuvent être synthétisés avec une précision presque atomique via des méthodes modernes de chimie colloïdale. Leur couleur d'émission peut être réglée en faisant simplement varier leurs dimensions. L'accord des couleurs est combiné à des rendements d'émission élevés approchant les 100 %. Ces propriétés sont récemment devenues la base d'une nouvelle technologie - les affichages à points quantiques - employées, par exemple, dans la dernière génération de la liseuse Kindle Fire.
Antennes de récolte de lumière
Un concentrateur solaire luminescent (LSC) est un dispositif de gestion de photons, représentant une plaque de matériau transparent qui contient des émetteurs très efficaces tels que des molécules de colorant ou des points quantiques. La lumière solaire absorbée dans la dalle est ré-irradiée à des longueurs d'onde plus longues et guidée vers le bord de la dalle équipé d'une cellule solaire.
Klimov a expliqué, "Le LSC sert d'antenne de collecte de lumière qui concentre le rayonnement solaire collecté sur une grande surface sur une cellule solaire beaucoup plus petite, et cela augmente sa puissance de sortie."
Ce schéma montre comment les points quantiques sont intégrés dans la matrice plastique et captent la lumière du soleil pour améliorer l'efficacité des panneaux solaires. Crédit :Laboratoire national de Los Alamos
« Les LSC sont particulièrement attractifs car en plus des gains d'efficacité, ils peuvent permettre de nouveaux concepts intéressants tels que les fenêtres photovoltaïques qui peuvent transformer les façades des maisons en unités de production d'énergie de grande surface, " a déclaré Sergio Brovelli, qui a travaillé à Los Alamos jusqu'en 2012 et est maintenant membre du corps professoral de l'UNIMIB.
En raison de sa haute efficacité, émission à couleur réglable et aptitude au traitement de la solution, les points quantiques sont des matériaux attrayants pour une utilisation peu coûteuse, LSC de grande surface. Un défi, cependant, est un chevauchement entre les bandes d'émission et d'absorption dans les points, ce qui entraîne des pertes de lumière importantes dues aux points réabsorbant une partie de la lumière qu'ils produisent.
"Géant" mais toujours minuscule, points machinés
Pour surmonter ce problème, les chercheurs de Los Alamos et de l'UNIMIB ont développé des LSC basés sur des points quantiques avec une grande séparation artificiellement induite entre les bandes d'émission et d'absorption (appelée grand décalage de Stokes).
Ces points quantiques conçus par "Stokes-shift" représentent des structures de séléniure de cadmium/sulfure de cadmium (CdSe/CdS) dans lesquelles l'absorption de la lumière est dominée par une enveloppe externe ultra-épaisse de CdS, tandis que l'émission se produit à partir du noyau interne d'un CdSe à espace plus étroit. La séparation des fonctions d'absorption lumineuse et d'émission lumineuse entre les deux parties différentes de la nanostructure entraîne un grand décalage spectral d'émission par rapport à l'absorption, ce qui réduit considérablement les pertes par réabsorption.
Pour mettre en œuvre ce concept, Les chercheurs de Los Alamos ont créé une série de points quantiques CdSe/CdS à coque épaisse (appelés « géants »), qui ont été incorporés par leurs partenaires italiens dans de grandes plaques (dimensionnées en dizaines de centimètres) de polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Tout en étant grand par rapport aux normes de points quantiques, les particules actives sont encore minuscules - seulement une centaine d'angströms de diamètre. En comparaison, un cheveu humain vaut environ 500, 000 angströms de large.
« Une des clés du succès de ce projet a été l'utilisation d'une méthode industrielle modifiée de coulée de cellules, nous avons développé au département de science des matériaux de l'UNIMIB », a déclaré Francesco Meinardi, professeur de physique à l'UNIMIB.
Les mesures spectroscopiques n'ont indiqué pratiquement aucune perte de réabsorption sur des distances de plusieurs dizaines de centimètres. Plus loin, des tests utilisant un rayonnement solaire simulé ont démontré des rendements élevés de récolte de photons d'environ 10 % par photon absorbé réalisables dans des échantillons presque transparents, parfaitement adapté à une utilisation comme fenêtres photovoltaïques.
Malgré leur grande transparence, les structures fabriquées ont montré une amélioration significative du flux solaire avec un facteur de concentration de plus de quatre. Ces résultats passionnants indiquent que les points quantiques "Stokes-shift-engineered" représentent une plate-forme de matériaux prometteuse. Il peut permettre la création de LSC de grande surface traitables en solution avec des spectres d'émission et d'absorption réglables indépendamment.
Un document de recherche, « Des concentrateurs solaires luminescents à grande surface basés sur des nanocristaux « Stokes-shift-engineered » dans une matrice de PMMA polymérisée en masse, " est publié en ligne cette semaine dans Photonique de la nature .
