Dans les grandes villes, parfois des bâtiments qui ne possèdent pas beaucoup d’espace sur le toit afin d’installer des cellules solaires disposent de grandes fenêtres qui pourraient exploiter la lumière pour fournir de l’électricité. Des chercheurs du Laboratoire National de Los Alamos, au Nouveau-Mexique, ont rapporté hier dans la revue Nature Energy qu’un mince film de points quantiques sur du verre ordinaire pourrait être la clé pour atteindre une efficacité acceptable dans les systèmes de fenêtre photovoltaïque pour un faible coût.
La plupart du temps, les ingénieurs ont essayé d’utiliser des modules de cellules solaires connectées pour capturer la lumière du soleil qui frappe les fenêtres. Certains se sont demandés s’il serait possible de le faire avec moins de cellules. En tirant parti d’un mécanisme de capture de la lumière frappant une fenêtre, puis en l’orientant vers une seule cellule solaire « cela simplifie le dispositif et le rend moins coûteux », explique Victor Klimov, ingénieur en nanotechnologie à Los Alamos.
Dans un premier temps, les ingénieurs ont essayé d’utiliser des colorants organiques comme moyen pour concentrer la lumière. Le problème avec cela, souligne Victor Klimov, est que les colorants absorbent la lumière qu’ils produisent, car ils semblent très similaires aux rayons entrants du soleil. En 2013, les ingénieurs ont commencé à examiner les semi-conducteurs à l’échelle nanométrique appelés points quantiques parce qu’ils permettent de personnaliser des propriétés telles que les types de lumière qu’ils absorbent et ceux qu’ils ne le font pas.
Dans la nouvelle recherche, Victor Klimov et son équipe ont trouvé qu’une mince couche de points quantiques sur du verre ordinaire pourrait avoir une durée de vie allant jusqu’à 14 ans et environ 1,9 % d’efficacité de conversion de l’énergie totale. Pour rendre ces dispositifs pratiques, ils devront atteindre 6 %, et ils s’en rapprochent.
De plus, l’ajout de points quantiques sur le verre d’une fenêtre est étonnamment facile: une machine verse une suspension de points quantiques et de polymère PVP sur le verre et une lame l’étale pour former un mince film.
Les points quantiques sont constitués d’un noyau interne CdSe (séléniure de cadmium), d’une coque externe Cd1-xZnxS, et sont recouverts de silice pour la protection contre l’oxydation avec l’enveloppe extérieure agissant comme un absorbeur. Quand un photon frappe un point, un électron dans la coquille est expulsé de sa bande de valence dans la bande de conduction, laissant un trou. L’électron dévoyé et le trou sautent vers le noyau, où ils se recombinent pour produire un nouveau photon d’énergie plus faible.
De par sa conception, la coquille n’absorbe que les photons de haute énergie, et le nouveau photon à partir du noyau est libre de se propager à travers le verre et les couches de points quantiques par des réflexions internes. Finalement, les photons se propageant arrivent sur les bords du verre où une ou plusieurs cellules solaires pourraient les récupérer.
Lors d’une recherche d 2015, les membres de l’équipe avaient essayé la dispersion de points quantiques directement à l’intérieur un polymère. Cependant, dans des matériaux polymères tels que cela, bon nombre de ces photons seraient disperser et échapperaient à la matière. Les propriétés optiques de la nouvelle mince couche de points quantiques sur du verre sont telles qu’il y a un minimum de diffusion et la lumière a tendance à se propager beaucoup plus longtemps.
« Ceci est important pour montrer que ces nanocristaux peuvent être utilisés pour fabriquer de grandes surfaces et des concentrateurs de lumière diffuse rentables, » précise Vivian Ferry, une chercheuse en énergie et électronique de l’Université du Minnesota, qui n’a pas participé à l’étude, mais a travaillé avec des cellules solaires et des points quantiques.
Lorsque les chercheurs ont testé les propriétés d’absorption et de stabilité, ils ont également trouvé que le dispositif tenait ses promesses.
«Si vous êtes sérieux au sujet des applications, » Klimov dit: «La stabilité doit être comparable à la stabilité de la cellule solaire. »
Il croit que la technique d’application est peu coûteuse et suffisamment accessible pour que l’industrie du verre l’utilise. Un revêtement pourrait même être gratté et réutilisé.
Pourtant, il y a beaucoup de travail à faire avant d’atteindre le point de rentabilité à propos de la conversion de l’énergie. Pour atteindre cet objectif d’efficacité, il est maintenant en train de bricoler avec des concentrations de points quantiques utilisés et leurs propriétés d’absorption.
http://www.lanl.gov/discover/news-release-archive/2016/October/10.11-quantum-dot-solar-windows.php
http://www.nature.com/articles/nenergy2016157
