24/02/2011 - Zanjas d'énergie

Menéame

De nombreux groupes de chercheurs continuent d’étudier la possibilité d’obtenir une énergie solaire bon marché. Les réalisations ci-après ne représentent qu’une petite partie des efforts déployés au cours des derniers mois.

Zanjas d’énergie

L’un des inconvénients des cellules solaires photovoltaïques à semi-conducteurs, outre leur prix, est leur faible rendement. Presque toute l’énergie qui affecte est simplement perdue sous forme de chaleur. C’est parce que le fossé d’énergie entre la bande de valence et la conduite d’un semi-conducteurs est fixe. Si vous recevez un photon avec moins d’énergie que ce tranché un électron ne peut pas passer d’une bande à l’autre, vous ne l’absorbez pas et cette énergie est perdue sous forme de chaleur. Ce n’est qu’avec des photons d’énergie égale ou supérieure à ce fossé d’énergie que l’on parviendra à mobiliser des charges et donc à produire de l’électricité. Rappelons que l’énergie d’un photon est directement proportionnelle à sa fréquence, de sorte que des photons de certaines couleurs ne produisent pas d’énergie sur ces cellules parce qu’ils ne sont pas absorbés par les électrons.

La solution typique à ce problème est obtenue par des cellules de chromatographie dans lesquelles un sandwich multi-conducteurs à plusieurs tranchées d’énergies différentes est créé, de sorte que si un photon n’est pas capturé par une couche, il le sera par une autre, s’absorbant ainsi des photons d’une grande variété de couleurs (fréquences). Avec ce système, on obtient des rendements très élevés de plus de 40%, mais le processus de fabrication rend ces cellules très chères, puisqu'elles atteignent jusqu'à 18 lames différentes. La seule possibilité commerciale pour ce type de cellules est de les utiliser dans des systèmes avec des concentrateurs optiques qui compliquent l’ensemble du système.

Wladek Walukiewicz du Lawrence Berkeley National Laboratory étudie une nouvelle approche du problème [1]. L’idée est de ne pas utiliser de chromatogrammes, mais un semi-sol avec une bande d’énergie intermédiaire située entre les deux habituels et permettant d’absorber des photons de plusieurs gammes de fréquences à la fois. Il réussit en utilisant des alliages de GANAs.

Il s’agit pour l’instant d’une question de recherche et elle n’a pas été mise sur le marché, mais c’est peut-être une solution beaucoup moins chère que les cellules cancéreuses dans un avenir proche.

Plasmones

Peut-être est-il intéressant d’essayer d’améliorer l’absorption de la lumière par les cellules photovoltaïques, quel que soit leur type, comme le font les chercheurs de l’université de Stanford [2]. L’idée de Mike McGehee, Yi Cui, Mark Brongersma et Michael Graetzel est d’utiliser des plasmaons pour produire de l’énergie solaire à bon marché avec des cellules photovoltaïques minces.

Grâce à l’utilisation de plasmons, on peut absorber la lumière avec des feuilles très minces qui utilisent très peu de matière. L’utilisation de plasmons est actuellement étudiée de manière approfondie par ses applications en diélectriques, télécommunications, informatique et microélectronique.

Les plasmons ne sont que des états excités, des oscillations de plasma, des électrons des métaux quand ils affectent la lumière. On peut dire qu’un plasmon est une quasi-particule. Nous avons tous une expérience de ce que sont les plasmons tous les matins dans le miroir de la salle de bains. Un miroir n’est qu’un verre avec un revêtement métallique derrière. Quand la lumière affecte cette feuille, les électrons du métal réagissent en oscillant et font rebondir les photons de lumière. Lorsque la lumière éclaire une structure métallique nanostructurée, ces électrons diffusent la lumière dans de nombreuses directions. Et c’est cet effet que l’on pourrait appliquer aux cellules solaires. L’idée est d’augmenter la complexité de ces nanostructures pour manipuler le flux de lumière avec un contrôle élevé et que le matériau photovoltaïque absorbe ainsi beaucoup plus de lumière.

Ces chercheurs ont expérimenté avec des feuilles d’oxyde de titane et de fer pour créer des modèles composés de petites fentes périodiques pratiquées sur eux. Une couche de pigment sensible à la lumière remplit ces fentes et une autre couche d’argent complète le système. L’aspect final est un motif hexagonal de nano-couples. Cette surface de nano-coupules capte la lumière de toutes les directions et l’envoie au pigment responsable de la production d’électricité. La taille, la hauteur et la disposition de ces cupulettes sont conçues pour optimiser la plasmonie du dispositif.

La lumière passe par la couche d’oxyde de titane et une partie est transformée en courant électrique, mais les photons qui s’échappent sont retournés par la couche de dômes d’argent (grâce aux plasmons) de l’autre côté, afin qu’ils produisent de l’électricité.

Ces cellules photovoltaïques ne sont que les cellules typiques fabriquées avec des pigments, des cellules très bon marché, mais à vie courte et à faible rendement. Ils peuvent prendre toutes sortes de formes, et en plus les matériaux nécessaires à leur fabrication sont bon marché, abondants et non toxiques. Ce nouveau système permet d’augmenter les performances de ces cellules.

La meilleure des cellules de pigments a un rendement de 8%, tandis que celle du silicium atteint 25% (soit 40

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