Briquet, plus flexible, et moins cher que les matériaux solaires conventionnels, les nanotubes de carbone (CNT) sont depuis longtemps prometteurs pour le photovoltaïque. Mais la recherche s'est arrêtée lorsque les CNT se sont avérés inefficaces, convertir beaucoup moins de lumière du soleil en énergie que d'autres méthodes.

Désormais une équipe de recherche dirigée par Mark Hersam, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et titulaire de la chaire d'excellence en enseignement Bette et Neison Harris à la McCormick School of Engineering de la Northwestern University, a créé un nouveau type de cellule solaire CNT qui est deux fois plus efficace que ses prédécesseurs. C'est également la première cellule solaire CNT dont les performances sont certifiées par le National Renewable Energy Laboratory.

« Le champ oscillait autour de 1 % d'efficacité depuis environ une décennie ; il avait vraiment atteint un plateau, " Hersam a déclaré. "Mais nous avons pu l'augmenter à plus de 3 pour cent. C'est un saut important."

La recherche est décrite dans l'article "Polychiral Semiconducting Carbon Nanotube-Fullerene Solar Cells" dans le numéro du 7 août de Lettres nano .

Le secret réside dans la chiralité des CNT, qui est une combinaison du diamètre et de la torsion des tubes. Lorsqu'une fine feuille de carbone est roulée dans un nanotube, plusieurs centaines de chiralités différentes sont possibles. Autrefois, les chercheurs avaient tendance à choisir une chiralité particulière avec de bonnes propriétés semi-conductrices et à construire une cellule solaire entière à partir de celle-ci.

"Le problème est que chaque chiralité des nanotubes n'absorbe qu'une plage étroite de longueurs d'onde optiques, " a déclaré Hersam. " Si vous fabriquez une cellule solaire à partir d'un seul nanotube de carbone de chiralité, vous jetez essentiellement la majeure partie de la lumière solaire."

L'équipe d'Hersam a fait un mélange de polychiral, ou chiralité multiple, nanotubes semi-conducteurs. Cela a maximisé la quantité de photocourant produite en absorbant une gamme plus large de longueurs d'onde du spectre solaire. Les cellules ont absorbé de manière significative les longueurs d'onde du proche infrarouge, une gamme inaccessible à de nombreuses technologies de pointe en couches minces.

S'il s'agit d'un progrès majeur pour les cellules solaires CNT, ils sont toujours à la traîne par rapport aux autres matériaux en termes d'efficacité. Silicium, par exemple, peut être efficace de 15 à 20 %, mais c'est plus cher à fabriquer. "Si vous regardez nos performances, il y a certainement un grand saut, " dit Hersam. " Mais il y a encore du travail à faire. Nous devons encore faire progresser cette technologie d'un facteur trois à cinq."

Hersam a déclaré que la prochaine étape consiste à créer des cellules solaires CNT polychirales à plusieurs couches. Chaque couche serait optimisée pour une portion particulière du spectre solaire et, Donc, absorber plus de lumière. Il a dit qu'ils pourraient également incorporer d'autres matériaux, tels que les semi-conducteurs organiques ou inorganiques, pour compléter les NTC.

"Ce que nous aimerions faire, c'est absorber chaque photon du soleil et le convertir en électricité, " dit-il. " En d'autres termes, nous aimerions avoir une cellule solaire qui a un spectre d'absorption correspondant parfaitement à la lumière solaire. Nous sommes sur la voie de cet objectif."