Une nouvelle étude du St. Mary's College of Maryland nous rapproche de la technologie des cellules solaires par pulvérisation à faire soi-même, promettant des cellules solaires de troisième génération utilisant un dépôt d'encre nanocristalline qui pourrait faire des panneaux solaires traditionnels coûteux à base de silicium une chose du passé.
Dans une étude de 2014, publié dans la revue Chimie Physique Physique Chimique , Le professeur Troy Townsend, expert en énergie du St. Mary's College of Maryland, a présenté la première technologie photovoltaïque entièrement inorganique traitée en solution.
Alors que les progrès du photovoltaïque organique en couches minces augmentent rapidement, les dispositifs inorganiques détiennent toujours le record des rendements les plus élevés, ce qui est en partie dû à leur large absorption spectrale et à leurs excellentes propriétés électroniques. Compte tenu des rendements plus élevés enregistrés et du coût par watt inférieur par rapport aux appareils organiques, combinée à la stabilité thermique et photoélectrique améliorée des matériaux inorganiques à grande échelle, Townsend, dans son étude de 2014, axé sur une structure entièrement inorganique pour la fabrication d'une cellule solaire entièrement basée sur une solution de haut en bas.
Un inconvénient majeur par rapport au bio, cependant, est que les matériaux inorganiques sont difficiles à déposer à partir d'une solution. Pour surmonter cela, Townsend a synthétisé des matériaux à l'échelle nanométrique. Les nanocristaux inorganiques enfermés dans une enveloppe de ligand organique sont solubles dans les solvants organiques et peuvent être déposés à partir d'une solution (c'est-à-dire, tournoyer-, tremper-, spray-coat) alors que les matériaux inorganiques traditionnels nécessitent une chambre à vide à haute température. Les dispositifs solaires sont fabriqués à partir d'encres à particules nanométriques des couches absorbant la lumière, tellurure de cadmium/séléniure de cadmium, et des encres métalliques ci-dessus et ci-dessous. Par ici, l'ensemble de l'appareil électronique peut être construit sur des substrats de verre non conducteurs à l'aide d'équipements que vous pouvez trouver dans votre cuisine.
Le défi majeur auquel sont confrontés les nanocristaux inorganiques (3-5 nm) est qu'ils doivent être recuits ou chauffés pour former des grains « en vrac » plus gros (100 nm à 1 m) afin de produire des dispositifs fonctionnels. Townsend a récemment fait équipe avec des chercheurs de la Marine pour explorer ce processus.
"Quand vous vaporisez sur ces nanocristaux, il faut les chauffer pour les faire fonctionner, " a expliqué Townsend, "mais vous ne pouvez pas simplement chauffer les cristaux par eux-mêmes, il faut ajouter un agent de frittage et ça, depuis 40 ans, a été du chlorure de cadmium, un sel toxique utilisé dans les dispositifs commerciaux à couche mince. Personne n'a testé d'alternatives non toxiques pour les dispositifs à encre nanométrique, et nous voulions explorer le mécanisme du processus de frittage pour pouvoir mettre en œuvre des sels plus sûrs."
Dans sa dernière étude, publié cette année dans le Journal de la chimie des matériaux A , Townsend, avec des chercheurs de la Marine, trouvé que le chlorure d'ammonium est un produit non toxique, alternative viable et peu coûteuse au chlorure de cadmium pour les cellules solaires à nanocristaux. Cette découverte est venue après avoir testé plusieurs sels différents. Les appareils fabriqués avec du chlorure d'ammonium (qui est couramment utilisé dans la fabrication du pain) avaient des caractéristiques comparables à ceux fabriqués avec du chlorure de cadmium, et l'abandon des traitements au sel de cadmium atténue les inquiétudes concernant la santé environnementale et la sécurité des méthodes de traitement actuelles.
L'équipe a également découvert que le rôle du traitement au sel implique des réactions cruciales d'élimination du ligand. Ceci est unique aux nanocristaux inorganiques et n'est pas observé pour les méthodes de dépôt sous vide à grande échelle. "De nombreux travaux passionnants ont été réalisés sur l'échange de ligands nanocristallins, mais, pour la première fois, nous avons élucidé le double rôle du sel en tant qu'agent d'échange de ligand et agent de frittage simultané. Il s'agit d'une distinction importante pour ces appareils, parce que les nanocristaux sont généralement synthétisés avec une coquille de ligand organique natif. Cette coque doit être retirée avant chauffage afin d'améliorer les propriétés électroniques du film, " a déclaré Townsend à propos de la découverte. Parce que les nanomatériaux sont à l'avant-garde des nouvelles propriétés émergentes par rapport à leur homologue en vrac, l'étude est importante pour l'avenir de la fabrication de dispositifs électroniques.
La recherche intervient à la suite de l'annonce de l'administration Obama en juillet d'installer davantage de panneaux solaires sur les logements sociaux et d'élargir l'accès à l'énergie solaire pour les locataires, et la récente promesse d'obtenir 20 % de l'électricité totale des États-Unis à partir de sources renouvelables d'ici 2030.
"À l'heure actuelle, la technologie solaire est quelque peu inaccessible pour la personne moyenne, " a déclaré Townsend. " Le rêve est de rendre le processus d'assemblage et d'installation si simple et bon marché que vous pouvez aller dans votre magasin de rénovation domiciliaire local et acheter un kit, puis le vaporiser sur votre propre toit. C'est pourquoi nous travaillons sur des cellules solaires pulvérisées."
Townsend prévoit de poursuivre les recherches pour augmenter l'efficacité des cellules solaires à nanocristaux entièrement inorganiques (atteignant actuellement cinq pour cent), tout en les construisant avec des composants totalement non toxiques.
