Les technologies de l’énergie solaire, qui utilisent des cellules solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité ou en combustibles stockables, gagnent du terrain dans un monde cherchant des alternatives aux énergies fossiles pour répondre à ses besoins énergétiques.
Les panneaux solaires d’un bleu foncé qui ornent les toits et les champs ouverts aujourd’hui sont généralement fabriqués à partir de silicium, un matériau semi-conducteur éprouvé. Cependant, la technologie photovoltaïque au silicium a ses limites, perdant jusqu’à 40 % de l’énergie qu’elle collecte du soleil sous forme de déchets thermiques.
Les chercheurs de l’Université d’État du Colorado étudient de nouvelles façons radicales d’améliorer l’énergie solaire et de fournir plus d’options pour l’industrie à explorer.
Les chimistes de l’Université d’État du Colorado proposent de fabriquer des cellules solaires en utilisant non pas du silicium, mais un matériau naturel abondamment disponible appelé disulfure de molybdène. En combinant de manière créative des techniques photo-électrochimiques et spectroscopiques, les chercheurs ont mené une série d’expériences montrant que des films extrêmement minces de disulfure de molybdène présentent des propriétés de transport de charge inédites qui pourraient un jour améliorer considérablement les technologies solaires.
Les expériences ont été dirigées par Rachelle Austin, étudiante en doctorat en chimie, et Yusef Farah, chercheur postdoctoral. Austin travaille conjointement dans les laboratoires de Justin Sambur, professeur agrégé au Département de Chimie, et Amber Krummel, professeure agrégée dans le même département. Farah est un ancien étudiant en doctorat du laboratoire de Krummel. Leurs travaux sont publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.
La collaboration a rassemblé l’expertise de Sambur en conversion d’énergie solaire utilisant des matériaux à l’échelle nanométrique et l’expertise de Krummel en spectroscopie laser ultra-rapide, permettant de comprendre comment différents matériaux sont structurés et comment ils se comportent. Le laboratoire de Sambur s’était intéressé au sulfure de molybdène comme matériau solaire alternatif potentiel en se basant sur des données préliminaires sur ses capacités d’absorption de la lumière, même lorsqu’il n’est épais que de trois atomes, a expliqué Austin.
C’est alors qu’ils se sont tournés vers Krummel, dont le laboratoire possède un spectromètre d’absorption transitoire ultra-rapide de pointe, capable de mesurer très précisément les états énergétiques séquentiels des électrons individuels lorsqu’ils sont excités par une impulsion laser. Les expériences utilisant cet instrument spécial peuvent fournir des instantanés de la circulation des charges dans un système. Austin a créé une cellule photo-électrochimique en utilisant une seule couche atomique de sulfure de molybdène, et elle et Farah ont utilisé le laser à pompe-sonde pour suivre le refroidissement des électrons lorsqu’ils se déplaçaient à travers le matériau.
Ce qu’ils ont découvert, c’est une conversion extrêmement efficace de la lumière en énergie. Plus important encore, les expériences de spectroscopie laser leur ont permis de montrer pourquoi cette conversion efficace était possible.
Ils ont découvert que le matériau était si bon pour convertir la lumière en énergie parce que sa structure cristalline lui permet d’extraire et d’exploiter l’énergie des soi-disant « porteurs chauds« , qui sont des électrons très énergétiques qui sont brièvement excités de leur état fondamental lorsqu’ils sont frappés par une lumière visible suffisante. Austin et Farah ont constaté que dans leur cellule photo-électrochimique, l’énergie de ces porteurs chauds était immédiatement convertie en photo-courant, plutôt que perdue sous forme de chaleur. Ce phénomène d’extraction de porteurs chauds n’est pas présent dans les cellules solaires au silicium conventionnelles.
« Ce travail ouvre la voie à la conception de réacteurs contenant ces matériaux nanométriques pour une production d’hydrogène efficace et à grande échelle« , a déclaré Sambur.
Le projet était une collaboration avec le professeur Andrés Montoya-Castillo et le Dr Thomas Sayer de l’Université du Colorado à Boulder, qui ont contribué à la chimie théorique et à la modélisation informatique pour aider à expliquer et vérifier les données expérimentales.
« La découverte a nécessité une approche de ‘science d’équipe’ qui a rassemblé de nombreux types d’expertise, en chimie computationnelle, analytique et physique« , a déclaré Krummel.
Les résultats offrent aux scientifiques et aux ingénieurs une voie de recherche pour explorer de nouvelles approches des technologies solaires de demain. Le travail a été soutenu par le Département américain de l’Énergie, Bureau des sciences de l’énergie de base.
Légende photo : Yusef Farah et Rachelle Austin, chercheurs au CSU, avec le spectromètre d’absorption transitoire à pompe-sonde ultrarapide qu’ils ont utilisé pour mesurer les propriétés des porteurs de charge des couches minces de disulfure de molybdène. Crédit : John Eisele/Colorado State University
