Peut-on imaginer un panneau solaire plus performant que ce qui existe de mieux actuellement sur le marché, mais nécessitant 10 000 fois moins de matière? C’est ce que laisse entrevoir de récentes découvertes des chercheurs de l’EPFL**, sur de petits filaments appelés «nanofils».
Une technologie solaire intégrant ces minuscules éléments pourrait absorber de grandes quantités de lumière, afin de produire de l’énergie de façon extrêmement performante, et à bien moindre coût. Ce principe pourrait préfigurer l’avenir de l’alimentation des circuits intégrés ainsi qu’une nouvelle génération de panneaux solaires.
Malgré leur taille minuscule, les nanofils recèlent un incroyable potentiel de production d’énergie. «Ils captent beaucoup plus de lumière que prévu», a expliqué Anna Fontcuberta i Morral, qui vient de publier sa découverte dans Nature Photonics.
Les nanofils sont de très petits filaments, capables dans ce cas d’absorber la lumière. Leur diamètre est de l’ordre du millionième de millimètre (20 à 100 nanomètres), soit jusqu’à 1 000 fois plus fins qu’un cheveu humain, ou comparable à celui d’un virus.
Doté des propriétés électroniques adéquates, le nanofil devient une mini-cellule solaire qui transforme la lumière en courant électrique. Anna Fontcuberta i Morral (en photo) et son équipe ont développé une cellule solaire à nanofils utilisant l’arséniure de gallium, un matériau sensiblement plus efficace que le traditionnel silicium. Ils ont découvert que cette cellule à nanofils a l’étonnante propriété d’absorber jusqu’à 12 fois plus de lumière qu’une cellule conventionnelle. Or davantage de lumière, c’est davantage d’énergie.
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Disposé sur un plan vertical, le nanofil agit comme une sorte d’entonnoir à lumière: malgré un diamètre infime, de quelques centaines de nanomètres, il absorbe les rayons du jour comme s’il était 12 fois plus gros. C’est ce champ de vision, bien plus étendu que prévu, qui a surpris les chercheurs.
Les performances mesurées du prototype d’Anna Fontcuberta sont d’ores et déjà 10% plus élevées que le seuil théorique des panneaux solaires conventionnels à matériau unique. Le rendement pourrait être encore amélioré par une optimisation des dimensions des nanofils, de la qualité de l’arséniure de gallium et des contacts électriques.
Les dispositifs photovoltaïques à nanofils ouvrent de nouvelles perspectives pour la production d’énergie. En pratique, un réseau de nanofils pourrait atteindre un rendement effectif de 33%, contre un maximum de 20% pour les panneaux conventionnels actuellement sur le marché.
En outre, de tels dispositifs pourraient ouvrir la voie à l’utilisation industrielle de l’arséniure de gallium, un matériau aussi performant qu’onéreux. Par mètre carré, le coût de l’arséniure de gallium passerait de $100’000 à seulement $10.
Les ingénieurs pourront laisser libre cours à leur imagination pour monter ces nanofils sur les substrats les plus divers – du panneau ultraléger ou flexible aux cellules capables de résister aux intempéries extrêmes. A une époque où la consommation énergétique est en constante augmentation, ces nanofils pourraient bien finir par fournir le courant nécessaire pour alimenter toute une gamme de dispositifs, et alimenter aussi bien les gadgets électronique que de futures missions sur Mars.
** L’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)
