Dans une cellule photoélectrique quantique à récolte de lumière, les particules de lumière (photons) peuvent générer efficacement des électrons. Lorsque deux canaux absorbants sont utilisés, l'énergie solaire entrant dans le système à travers les deux absorbeurs (a et b) génère efficacement de l'énergie dans la machine (M). Crédit :Nathaniel Gabor et Tamar Melen
Une université de Californie, Le professeur adjoint de Riverside a combiné la photosynthèse et la physique pour faire une découverte clé qui pourrait aider à rendre les cellules solaires plus efficaces. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Lettres nano .
Nathan Gabor se concentre sur la physique expérimentale de la matière condensée, et utilise la lumière pour sonder les lois fondamentales de la mécanique quantique. Mais, il s'est intéressé à la photosynthèse lorsqu'une question lui est venue en tête en 2010 :Pourquoi les plantes sont-elles vertes ? Il a vite découvert que personne ne le sait vraiment.
Au cours des six dernières années, il a cherché à aider à changer cela en combinant sa formation en physique avec une plongée profonde dans la biologie.
Il a entrepris de repenser la conversion de l'énergie solaire en posant la question :pouvons-nous fabriquer des matériaux pour les cellules solaires qui absorbent plus efficacement la quantité fluctuante d'énergie du soleil. Les plantes ont évolué pour cela, mais les cellules solaires abordables actuelles - qui sont au mieux efficaces à 20% - ne contrôlent pas ces changements soudains de l'énergie solaire, dit Gabor. Cela entraîne beaucoup de gaspillage d'énergie et aide à empêcher l'adoption à grande échelle des cellules solaires comme source d'énergie.
Gabor, et plusieurs autres physiciens de l'UC Riverside, a résolu le problème en concevant un nouveau type de cellule photoélectrique de moteur à chaleur quantique, qui aide à manipuler le flux d'énergie dans les cellules solaires. La conception intègre une cellule photoélectrique à moteur thermique qui absorbe les photons du soleil et convertit l'énergie des photons en électricité.
Étonnamment, les chercheurs ont découvert que la cellule photoélectrique du moteur thermique quantique pouvait réguler la conversion de l'énergie solaire sans nécessiter de rétroaction active ou de mécanismes de contrôle adaptatifs. Dans la technologie photovoltaïque conventionnelle, qui est utilisé sur les toits et les fermes solaires aujourd'hui, les fluctuations de l'énergie solaire doivent être supprimées par des convertisseurs de tension et des contrôleurs de rétroaction, ce qui réduit considérablement l'efficacité globale.
Le laboratoire d'optoélectronique des matériaux quantiques de Nathan Gabor utilise des techniques de spectroscopie laser infrarouge pour explorer la régulation naturelle dans les photocellules quantiques composées de semi-conducteurs bidimensionnels. Crédit :Max Grossnickle et QMO Lab
L'objectif des équipes d'UC Riverside était de concevoir la cellule photoélectrique la plus simple qui corresponde à la quantité d'énergie solaire du soleil aussi proche que possible de la demande d'énergie moyenne et de supprimer les fluctuations d'énergie pour éviter l'accumulation d'énergie excédentaire.
Les chercheurs ont comparé les deux systèmes photoélectriques de mécanique quantique les plus simples :un dans lequel la cellule photoélectrique n'absorbait qu'une seule couleur de lumière, et l'autre dans laquelle la cellule photoélectrique a absorbé deux couleurs. Ils ont découvert qu'en incorporant simplement deux canaux absorbant les photons, plutôt qu'un seul, la régulation du flux d'énergie émerge naturellement au sein de la cellule photoélectrique.
Le principe de fonctionnement de base est qu'un canal absorbe à une longueur d'onde pour laquelle la puissance d'entrée moyenne est élevée, tandis que l'autre absorbe à faible puissance. La cellule photoélectrique bascule entre une puissance élevée et une puissance faible pour convertir différents niveaux d'énergie solaire en une sortie en régime permanent.
Lorsque l'équipe de Gabor a appliqué ces modèles simples au spectre solaire mesuré à la surface de la Terre, ils ont découvert que l'absorption de la lumière verte, la partie la plus rayonnante du spectre de l'énergie solaire par unité de longueur d'onde, n'apporte aucun avantage réglementaire et doit donc être évité. Ils ont systématiquement optimisé les paramètres des photocellules pour réduire les fluctuations de l'énergie solaire, et a constaté que le spectre d'absorption semble presque identique au spectre d'absorption observé dans les plantes vertes photosynthétiques.
Les résultats ont conduit les chercheurs à proposer que la régulation naturelle de l'énergie qu'ils ont trouvée dans la cellule photoélectrique du moteur thermique quantique pourrait jouer un rôle essentiel dans la photosynthèse des plantes, expliquant peut-être la prédominance des plantes vertes sur Terre.
D'autres chercheurs ont récemment découvert que plusieurs structures moléculaires des plantes, comprenant les molécules de chlorophylle a et b, pourrait être essentiel pour empêcher l'accumulation d'énergie excédentaire dans les plantes, qui pourrait les tuer. Les chercheurs de l'UC Riverside ont découvert que la structure moléculaire de la cellule photoélectrique du moteur thermique quantique qu'ils ont étudiée est très similaire à la structure des molécules photosynthétiques qui incorporent des paires de chlorophylle.
L'hypothèse émise par Gabor et son équipe est la première à relier la structure de la mécanique quantique à la verdeur des plantes, et fournit un ensemble clair de tests pour les chercheurs visant à vérifier la régulation naturelle. D'importance égale, leur conception permet une régulation sans entrée active, un processus rendu possible par la structure mécanique quantique de la cellule photoélectrique.
L'article s'intitule " Régulation naturelle du flux d'énergie dans une cellule photoélectrique quantique verte ".
