Un concentrateur solaire luminescent est une technologie émergente de récolte de la lumière solaire qui a le potentiel de perturber notre façon de penser à l'énergie; Il pourrait transformer n'importe quelle fenêtre en une source d'alimentation diurne.

« Dans ces appareils, une fraction de la lumière transmise à travers la fenêtre est absorbée par des particules nanométriques (points quantiques semi-conducteurs) dispersées dans une fenêtre en verre, réémis à la longueur d'onde infrarouge invisible à l'œil humain, et guidé par ondes vers une cellule solaire au bord de la fenêtre, " dit Victor Klimov, chercheur principal sur le projet au Laboratoire national de Los Alamos du ministère de l'Énergie. "En utilisant cette conception, une fenêtre presque transparente devient un générateur électrique, celui qui peut alimenter le climatiseur de votre chambre par temps chaud ou un radiateur par temps froid."

C'est ce qui devient possible avec de nouveaux dispositifs - les LSC à points quantiques - qui seront disponibles dans la revue Nature Nanotechnologie dans l'étude "Concentrateurs solaires luminescents incolores à grande efficacité et à grande efficacité utilisant des points quantiques colloïdaux sans métaux lourds". Le travail a été effectué par des chercheurs du Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) de Los Alamos, dirigé par Klimov et l'équipe de recherche coordonnée par Sergio Brovelli et Francesco Meinardi du Département des sciences des matériaux de l'Université de Milan-Bicocca (UNIMIB) en Italie.

En avril 2014, en utilisant des points quantiques composites spéciaux, la collaboration américano-italienne a démontré le premier exemple de concentrateurs solaires luminescents à grande surface exempts de pertes de réabsorption de la lumière guidée par les nanoparticules. Cela représentait une avancée fondamentale par rapport à la technologie antérieure, qui reposait sur des émetteurs organiques permettant la réalisation de concentrateurs de quelques centimètres seulement.

Cependant, les points quantiques utilisés dans les dispositifs de preuve de principe précédents n'étaient toujours pas adaptés aux applications du monde réel, car ils étaient basés sur le cadmium, un métal lourd toxique, et n'étaient capables d'absorber qu'une petite partie de la lumière solaire. Il en a résulté une efficacité de récolte de lumière limitée et une forte coloration jaune/rouge des concentrateurs, ce qui a compliqué leur application en milieu résidentiel.

Klimov, directeur de l'ASPC, a expliqué comment l'approche mise à jour résout le problème de coloration :« Nos nouveaux appareils utilisent des points quantiques d'une composition complexe qui comprend du cuivre (Cu), indium (In), le sélénium (Se) et le soufre (S). Cette composition est souvent abrégée en CISeS. Surtout, ces particules ne contiennent aucun métal toxique qui est généralement présent dans les LSC précédemment démontrés."

"En outre, " Klimov a noté, "les points quantiques CISeS offrent une couverture uniforme du spectre solaire, ajoutant ainsi uniquement une teinte neutre à une fenêtre sans introduire de distorsion dans les couleurs perçues. En outre, leur émission dans le proche infrarouge est invisible à l'œil humain, mais en même temps, il est parfaitement adapté à la plupart des cellules solaires courantes à base de silicium."

Francesco Meinardi, professeur de physique à l'UNIMIB, décrit le travail émergent, notant, « Pour que cette technologie sorte des laboratoires de recherche et atteigne son plein potentiel dans l'architecture durable, il est nécessaire de réaliser des concentrateurs non toxiques capables de récolter tout le spectre solaire."

« Il faut encore conserver la capacité clé à transmettre la luminescence guidée sans pertes de réabsorption, bien que, afin de compléter un rendement photovoltaïque élevé avec des dimensions compatibles avec de vraies fenêtres. Le facteur esthétique est également d'une importance critique pour l'opportunité d'une technologie émergente, " a déclaré Meinardi.

Chasseur McDaniel, anciennement boursier postdoctoral CASP Los Alamos et actuellement entrepreneur en points quantiques (fondateur et président d'UbiQD), ajoutée, "avec une nouvelle classe de low-cost, points quantiques à faible risque composés de CISeS, nous avons surmonté certains des plus gros obstacles au déploiement commercial de cette technologie."

"L'un des problèmes restants à résoudre est la réduction des coûts, mais déjà ce matériau est nettement moins cher à fabriquer que les points quantiques alternatifs utilisés dans les précédentes démonstrations LSC, " a déclaré McDaniel.

Un élément clé de ce travail est une procédure comparable à la méthode industrielle de coulée cellulaire utilisée pour la fabrication de fenêtres en polymère de haute qualité optique. Il s'agit d'un nouveau protocole UNIMIB pour encapsuler des points quantiques dans une matrice polymère transparente de haute qualité optique. Le polymère utilisé dans cette étude est un polylaurylméthacrylate réticulé, qui appartient à la famille des polymères acrylates. Ses longues chaînes latérales empêchent l'agglomération des points quantiques et leur fournissent l'environnement local « amical », qui est similaire à celui de la suspension colloïdale d'origine. Cela permet de préserver les propriétés d'émission de lumière des points quantiques lors de l'encapsulation dans le polymère.

Sergio Brovelli, le chercheur principal de l'équipe italienne, a conclu :« La technologie des fenêtres solaires à points quantiques, dont nous avions démontré la faisabilité il y a tout juste un an, devient désormais une réalité transférable à l'industrie à court ou moyen terme, nous permettant de convertir non seulement les toits, comme nous le faisons maintenant, mais l'ensemble des bâtiments urbains, y compris les fenêtres, en générateurs d'énergie solaire."

« Ceci est particulièrement important dans les zones urbaines densément peuplées où les surfaces des toits sont trop petites pour collecter toute l'énergie nécessaire aux opérations du bâtiment, " dit-il. Il propose que les estimations de l'équipe indiquent qu'en remplaçant le vitrage passif d'un gratte-ciel tel que le One World Trade Center à New York (72, 000 mètres carrés divisés en 12, 000 fenêtres) avec notre technologie, il serait possible de générer l'équivalent du besoin énergétique de plus de 350 appartements.

"Ajoutez à ces chiffres remarquables, l'énergie qui serait économisée par la réduction du besoin de climatisation grâce à l'effet filtrant du LSC, qui abaisse le chauffage des espaces intérieurs par la lumière du soleil, et vous avez une technologie potentiellement révolutionnaire vers des villes à énergie "net-zéro", " a déclaré Brovelli.