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Des boîtes quantiques pour doper les panneaux solaires
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Chauffer les maisons, propulser les véhicules, alimenter l’industrie métallurgique et les data centers… Comment répondre aujourd’hui à la vaste demande en énergie de l’humanité ? De nombreuses pistes sont explorées pour trouver de nouvelles sources ou améliorer les caractéristiques de celles que nous utilisons déjà. Parmi elles, l’énergie solaire offre de multiples atouts. Un des grands défis de cette filière est d’atteindre des rendements élevés. Dans ce domaine, les cellules photovoltaïques à pérovskite ont connu une évolution foudroyante. Malheureusement, en passant de dispositifs de laboratoire à des équipements pour un usage commercial, le changement d’échelle s’accompagne d’un effondrement du rendement.
En effet, dans l’électrode (souvent du dioxyde de titane) qui collecte les électrons produits lorsque la lumière interagit avec la cellule photovoltaïque, la mobilité des particules est faible et la conversion en courant est dès lors moins efficace. L’équipe de Michael Grätzel, de l’EPFL (l’École polytechnique fédérale de Lausanne), et de Dong Suk Kim, de l’Institut coréen de recherche sur l’énergie, propose de remplacer ces électrodes par une fine couche de boîtes quantiques (quantum dots).
Grâce à leurs performances élevées, les cellules à pérovskite suscitent un grand intérêt. Elles sont formées de matériaux dont la structure cristalline est la même que celle du titanate de calcium (CaTiO3), aussi nommé "pérovskite". De façon générale, les pérovskites sont constituées d’un assemblage hybride d’un composé organique et d’un halogénure de métal (un métal et un halogène). Or, en 2009, le chercheur japonais Tsutomu Miyasaka a découvert que les pérovskites ont des propriétés photovoltaïques intéressantes. Son premier dispositif avait un rendement de 3,8 % (le rapport de la puissance électrique produite et de la puissance lumineuse reçue). Mais dès 2012, une équipe de l’Université d’Oxford atteint 10 %. L’année suivante, Michael Grätzel et ses collègues ont franchi le cap des 15 %. En 2021, le rendement a dépassé 25 %. Les cellules à pérovskite ont donc un rendement supérieur à celles plus classiques au silicium. En outre, leur fabrication est peu coûteuse.
Leur déploiement commercial est cependant freiné par un obstacle technique. Comme la mobilité des électrons est faible dans les électrodes de dioxyde de titane, le rendement diminue quand la taille des composants augmente, car les électrons ont alors le temps de se recombiner avec les atomes de pérovskite. L’équipe de Michael Grätzel a trouvé une solution pour améliorer le rendement. Elle repose sur le principe des boîtes quantiques.
Il s’agit de nanostructures semi-conductrices, qui permettent de confiner un électron comme dans un atome. Les boîtes quantiques sont souvent qualifiées d’"atomes artificiels". Comme pour les niveaux d’énergie d’un atome, les lois de la mécanique quantique indiquent alors comment ces boîtes interagissent avec la lumière. Simplement en contrôlant leur taille, il est possible de les faire émettre un rayonnement à des longueurs d’onde spécifiques. Les applications sont nombreuses : imagerie médicale, diodes émettrices de lumière, mais aussi cellules photovoltaïques. Dans ce dernier cas, les boîtes quantiques se substituent au silicium ou aux pérovskites et captent la lumière du soleil.
Dans le dispositif de Michael Grätzel, l’électrode de dioxyde de titane est remplacée par une couche d’acide polyacrylique (un gel de polymère) contenant des boîtes quantiques de dioxyde d’étain (SnO2). Les chercheurs ont constaté que la capacité de capture de la lumière était augmentée et la recombinaison des électrons avec la pérovskite était diminuée de 80 %. Ils ont ensuite mesuré un rendement de 25,7 % pour une cellule de 0,08 centimètre carré. En augmentant la taille, la perte de performance est limitée : un rendement à 20,6 % pour une cellule de 64 centimètres carrés.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
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