Quand Mike Arnold pense à l'énergie solaire, il voit grand, comme dans les "plus de cent millions de milliards de watts de lumière solaire dans lesquels la Terre baigne en permanence". Mais il pense aussi très, très petit, explorer comment un nanomatériau à base de carbone d'un milliardième de mètre d'épaisseur pourrait réduire considérablement le prix de la production d'électricité avec des cellules solaires.

Arnold, professeur agrégé au département de science et génie des matériaux de l'UW-Madison, dirige une équipe de recherche qui se concentre sur l'étude de matériaux électroniques avancés pour l'énergie solaire photovoltaïque (PV), stockage d'Energie, et l'électronique à semi-conducteurs. Développer des matériaux capables de réduire le coût de l'énergie photovoltaïque est la passion et l'objectif principal de son équipe.

« Nous connaissons tous les avantages de l'énergie solaire, " explique Arnold. " La lumière du soleil abondante, pas d'émissions, pas de pièces mobiles, pas de bruit, et transport facile, mais cela laisse beaucoup de gens se demander pourquoi nous avons encore des centrales au charbon et n'avons pas de panneaux solaires sur chaque toit. Et la réponse est définitivement « coût ». Même si les prix de la production d'énergie solaire ont chuté de façon spectaculaire au cours des deux dernières décennies, nous n'avons pas encore atteint le point où l'énergie photovoltaïque peut rivaliser économiquement. »

L'énergie photovoltaïque est créée lorsque des photons - ou des paquets de lumière du soleil - parcourent près de 150 millions de kilomètres jusqu'à la Terre et frappent une cellule solaire. Lorsque le matériau semi-conducteur d'une cellule solaire absorbe la lumière du soleil, une charge électrique est générée. C'est ensuite le travail de la cellule solaire de séparer la charge de sorte que sa composante positive aille d'un côté de la cellule solaire et sa composante négative de l'autre, produisant ainsi un courant électrique. Ces cellules solaires sont regroupées en modules, et ces modules sont regroupés dans les panneaux que nous voyons sur les toits et dans les champs solaires.

« L'efficacité de 25 % des cellules solaires au silicium est assez bonne, ", dit Arnold. "C'est le prix du silicium en tant que matière première et le coût élevé du traitement qui rendent difficile la réduction du coût du PV. Ce dont nous avons besoin, ce sont des cellules tout aussi efficaces mais beaucoup moins chères à fabriquer. »

Quelques matériaux PV alternatifs de « deuxième génération », comme les cellules solaires à couche mince, sont explorés par l'industrie et ont même été commercialisés. Mais le prix de l'énergie solaire reste élevé avec ces technologies, et la plupart des recherches photovoltaïques se concentrent désormais sur les nanomatériaux dits de « troisième génération », tels que ceux étudiés dans le laboratoire d'Arnold. « Nano » fait référence à la taille remarquablement petite de ces matériaux ; un nanomètre est un milliardième de mètre.

L'approche d'Arnold est de commencer avec des matériaux très bon marché qui, en principe, pourraient être transformés en cellules solaires, puis trouver un moyen de les faire fonctionner. Actuellement, L'équipe d'Arnold se concentre sur les nanomatériaux à base de carbone appelés graphène et nanotubes de carbone. Ces nanomatériaux sont synthétisés en laboratoire à l'aide d'un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur, dans lequel les hydrocarbures (gaz tels que le méthane (CH4) et l'éthylène (C2H4)) sont convertis en carbone pur.

Dans la production de graphène, les hydrocarbures réagissent entre eux sur un substrat plat où ils dégagent de l'hydrogène gazeux (H2) en tant que sous-produit et forment du graphène (C pur) sur le substrat. De cette façon, les grands substrats peuvent être recouverts de continu, feuilles atomiquement minces de graphène. Pour produire un nanotube de carbone, les réactions d'hydrocarbures ont lieu sur l'extrémité d'une nanoparticule sphérique plutôt que sur un substrat plat, formant un cylindre.

Le résultat final est des nanomatériaux qui ne sont pas du tout composés de molécules, mais sont construits à partir d'une seule couche d'atomes.

"Ces matériaux sont aussi fins que vous pouvez l'imaginer… vous ne pouvez vraiment rien faire de plus fin, ", explique Arnold, ce qui permet de comprendre facilement pourquoi la communauté scientifique se réfère parfois à ces matériaux comme « 2D ».

« Quand nous arrivons à cette seule couche d'atomes dans le graphène et les nanotubes de carbone, " Arnold dit, "ce sont parmi les meilleurs conducteurs électriques que nous ayons jamais découverts et leurs propriétés électroniques sont beaucoup plus faciles à contrôler. Ce sont de puissants absorbeurs de lumière, relativement stable, facile à synthétiser, et peu coûteux puisque le carbone est si abondant.

L'équipe d'Arnold explore actuellement l'utilisation de feuilles de graphène et de nanotubes de carbone dans les cellules solaires. Pour un projet, son équipe crée des nanotubes de carbone de différents diamètres qui absorbent différentes longueurs d'onde de lumière; dans une cellule solaire, cette variété de diamètres pourrait contribuer à augmenter l'absorption globale de la lumière.

« Nous pouvons potentiellement exploiter la puissance de beaucoup plus de lumière en faisant varier le diamètre des nanotubes, ", explique Arnold, "toutes les couleurs de l'arc-en-ciel ainsi que celles des spectres que nous ne pouvons pas voir."

Arnold s'est engagé à explorer le potentiel des nanomatériaux à base de carbone comme moyen peu coûteux d'exploiter l'énorme puissance du soleil, et transformer le domaine de l'énergie solaire.

"Nous travaillons dur pour mieux comprendre leurs propriétés et les essayer dans de vraies cellules solaires de différentes manières. Nous pensons que nos recherches actuelles nous rapprochent du jour où nous verrons vraiment des panneaux solaires sur chaque toit."