Photographies de conversion ascendante dans une cuvette contenant un mélange séléniure de cadmium/rubrène. La tache jaune est l'émission du rubrène provenant (a) d'un laser à onde continue non focalisée de 800 nm d'une intensité de 300 W/cm2. (b) un laser focalisé à onde continue de 980 nm avec une intensité de 2000 W/cm2. Les photographies, prise avec un iPhone 5, n'ont été modifiés en aucune façon. Crédit :Zhiyuan Huang, UC Riverside.
Lorsqu'il s'agit d'installer des cellules solaires, le coût de la main-d'œuvre et le coût du terrain pour les abriter constituent l'essentiel de la dépense. Les cellules solaires, souvent constituées de silicium ou de tellurure de cadmium, coûtent rarement plus de 20 % du coût total. L'énergie solaire pourrait être rendue moins chère si moins de terres devaient être achetées pour accueillir des panneaux solaires, le mieux réalisé si chaque cellule solaire pouvait être amenée à générer plus d'énergie.
Un énorme gain dans cette direction a maintenant été réalisé par une équipe de chimistes de l'Université de Californie, Riverside qui a trouvé un moyen ingénieux de rendre la conversion de l'énergie solaire plus efficace. Les chercheurs rapportent dans Lettres nano qu'en combinant des nanocristaux semi-conducteurs inorganiques avec des molécules organiques, ils ont réussi à « convertir » des photons dans les régions visible et proche infrarouge du spectre solaire.
"La région infrarouge du spectre solaire traverse les matériaux photovoltaïques qui composent les cellules solaires d'aujourd'hui, " a expliqué Christopher Bardeen, un professeur de chimie. La recherche était un effort de collaboration entre lui et Ming Lee Tang, un professeur assistant de chimie. "C'est de l'énergie perdue, peu importe la qualité de votre cellule solaire. Le matériau hybride que nous avons mis au point capture d'abord deux photons infrarouges qui traverseraient normalement une cellule solaire sans être convertis en électricité, puis ajoute leurs énergies ensemble pour faire un photon d'énergie plus élevée. Ce photon upconverti est facilement absorbé par les cellules photovoltaïques, produire de l'électricité à partir de la lumière qui serait normalement gaspillée."
Bardeen a ajouté que ces matériaux « remodèlent essentiellement le spectre solaire » afin qu'il corresponde mieux aux matériaux photovoltaïques utilisés aujourd'hui dans les cellules solaires. La capacité d'utiliser la partie infrarouge du spectre solaire pourrait augmenter l'efficacité solaire photovoltaïque de 30 % ou plus.
Photographies de conversion ascendante dans une cuvette contenant (a) un séléniure de cadmium optimisé /9-ACA/DPA et (b) un mélange séléniure de cadmium /ODPA/DPA. (9-ACA :acide 9-anthracènecarboxylique ; ODPA :acide octadécylphosphonique ; et DPA :9, 10-diphénylanthracène.) Ils ont été excités avec un laser focalisé à onde continue de 532 nm. La sortie DPA violette en (a) submerge le faisceau vert qui est clairement visible en (b), où aucune conversion ascendante n'a lieu. Cela indique l'amélioration de la fluorescence convertie par le ligand 9-ACA. Les photographies ont été prises avec un iPhone 5 et n'ont subi aucune modification. Crédit :Zhiyuan Huang, UC Riverside.
Dans leurs expériences, Bardeen et Tang ont travaillé avec des nanocristaux semi-conducteurs de séléniure de cadmium et de séléniure de plomb. Les composés organiques utilisés pour préparer les hybrides étaient le diphénylanthracène et le rubrène. Les nanocristaux de séléniure de cadmium pourraient convertir les longueurs d'onde visibles en photons ultraviolets, tandis que les nanocristaux de séléniure de plomb pourraient convertir les photons du proche infrarouge en photons visibles.
Dans les expériences de laboratoire, les chercheurs ont dirigé une lumière infrarouge de 980 nanomètres sur le matériau hybride, qui a ensuite généré une lumière fluorescente orange/jaune convertie de 550 nanomètres, doublant presque l'énergie des photons entrants. Les chercheurs ont pu augmenter le processus de conversion ascendante jusqu'à trois ordres de grandeur en recouvrant les nanocristaux de séléniure de cadmium de ligands organiques, offrant une voie vers des efficacités plus élevées.
"Cette lumière de 550 nanomètres peut être absorbée par n'importe quel matériau de cellule solaire, " a déclaré Bardeen. " La clé de cette recherche est le matériau composite hybride, combinant des nanoparticules semi-conductrices inorganiques avec des composés organiques. Les composés organiques ne peuvent pas absorber dans l'infrarouge mais sont bons pour combiner deux photons d'énergie inférieure à un photon d'énergie plus élevée. En utilisant un matériau hybride, le composant inorganique absorbe deux photons et transmet leur énergie au composant organique pour combinaison. Les composés organiques produisent alors un photon de haute énergie. Mettre tout simplement, les inorganiques du matériau composite prennent la lumière; les matières organiques s'éclairent."
Outre l'énergie solaire, la capacité de convertir deux photons de basse énergie en un photon de haute énergie a des applications potentielles en imagerie biologique, stockage de données et diodes électroluminescentes organiques. Bardeen a souligné que la recherche pourrait avoir des implications de grande envergure.
"La capacité de déplacer l'énergie lumineuse d'une longueur d'onde à une autre, région plus utile, par exemple, du rouge au bleu, peut avoir un impact sur toute technologie utilisant des photons comme entrées ou sorties, " il a dit.
