Un nouveau dispositif qui agit à la fois comme une antenne optique recueillant et concentrant la lumière, et comme une photodiode qui convertit cette lumière en courant d’électrons a été découvert par des chercheurs de l’Université Rice aux Etats-Unis.
Ce système à l’échelle du nanomètre pourrait servir dans les techniques de photosensibilité, de collecte d’énergie, d’imagerie ou de détection de la lumière.
Plus d’un tiers de l’énergie solaire arrive sur Terre sous la forme de lumière infrarouge. Mais le matériau en silicium qui est utilisé dans la plupart du temps pour convertir la lumière solaire en électricité dans la grande majorité des panneaux solaires d’aujourd’hui – ne peut pas capter l’énergie de la lumière infrarouge.
Tous les semi-conducteurs, y compris le silicium, possède un "gap de fréquence" où la lumière passe directement à travers le matériau et demeure incapable de générer un courant électrique en dessous d’une certaine fréquence.
Pour résoudre ce problème, Mark Knight et ses collègues de l’Université Rice à Houston ont fait croître des alignements de nanoantennes d’or directement sur des surfaces de silicium. Lorsque de la lumière de grande longueur d’onde frappe ces antennes, elle excite des ondes d’électrons connues sous le nom de plasmons de surface qui se propagent près de la surface du métal. Ces électrons pleins d’énergie passent alors la barrière de l’or vers le silicium et s’y retrouvent alors piégés pour se propager sous forme de courant électrique.
"Les diodes nanoantennes, que nous avons créé pour détecter les plasmon-électrons chauds se comportent déjà assez bien dans la collecte de la lumière infrarouge en vue de la transformer directement en électricité", a affirme Mark Knight. "Nous sommes impatients de voir si cette extension de collecteurs de lumière dans les fréquences infrarouges entraînera immédiatement des résultats dans l’efficacité des cellules solaires."
on finira bien par convertir toutes les longueurs d’onde de la lumière en éléectricité. Ce jour là moultes magnums de champagne seront débouchés. Le problème, c’est que je ne suis pas sûr d’être encore là, ni mes enfants… Et comme je voudrais me tromper !
Voilà une approche intéressante pour récupérer l’énergie du spectre lumineux en deçà du gap optique des semi-conducteurs: plutôt que de combiner des matériaux de gap optiques différents, utilisons un autre principe physique! Comme je connais peu de choses sur la nano-photonique, l’article m’a incité à faire quelques recherches et pour ceux que la physique intéresse, ça vaut le coup de lire quelques pages sur les plasmons et les autres aspects du sujet. En lisant la brève originale en anglais, j’ai aussi trouvé quelques éléments qui peuvent intéresser certains. Cette avancée n’était apparemment pas destinée au PV. Il s’agissait simplement de mesurer l’énergie récupérée par l’antenne nanométrique. Pour cela, les chercheurs se sont attachés à mesurer l’énergie dissipée par les plasmons, notamment en mesurant l’énergie cédée à un électron (qui est alors dit “chaud”). En formant une barrière de Schottky pour mesurer le courant associé, les chercheurs sont parvenus à récupérer une partie de l’énergie du spectre infra-rouge (sous le gap de semi-conducteurs comme le silicium). Or la barrière de Schottky est formée à la jonction métal-semi-conducteur… Pourquoi ne pas donc procéder à ce couplage directement sur des cellules PV?! J’imagine que le dimensionnement de l’antenne pourrait être ajusté pour optimiser la récupération de n’importe quel gap optique. Reste à obtenir des rendements qui valent l’effort, les matériaux et les étapes de fabrication supplémentaires. A suivre.
Toutes mes félicitation au Professeur Mark Knight et son équipe. Je suis convaincu que ces résultats prodigieux trouveront des applications dans plusieurs domaines, mais je ne suis pas sûr, que l’extension de collecteurs de lumière dans les fréquences infrarouges entraînera immédiatement des résultats dans l’efficacité des cellules solaires, comme l’a affirmé le Professeur Mark Knight. En effet, les rayons lumineux infrarouges sont très mal exploités, par les cellules au silicium commercialisées, car ils perdent une très grande partie de leur énergie sous forme de chaleur et sont ainsi perdus. Ceci a des conséquences sur les performances de ces cellules. Ce qui explique leur faible rendement. Les cellules multi-jonctions remédient à cet inconvénient majeur, des cellules au silicium. Dans les cellules multi-jonctions chaque jonction est optimisée, pour interagir avec des photons ayant une longueur d’onde donnée. Ainsi, elles arrivent à convertir en électricité, la lumière infrarouge, notamment, très efficacement, par rapport aux autres cellules PV. Les cellules multi-jonctions permettent d’absorber un maximum de photons. D’où leur performance inégalée. Des rendements de 43,5% ont été atteints, par l’entreprise Solar Junction. Malgré ces résultats extraordinaires, les cellules multijonctions ne sont pas tout à fait au point. Ils restent plusieurs verrous technologiques à faire sauter, pour atteindre les résultats escomptés à des prix compétitifs, sans oublier d’une part, leur prix très élevé et d’autre part, leur recyclage très problématique. Que ce soit, pour les cellules au silicium, ou les multi-jonctions, l’extension de collecteurs de lumière dans les fréquences infrarouges, à ces dernières, me paraît très difficile à réaliser, pour des raisons économiques et technologiques.