L’oxygène donne un nouveau souffle à la recherche sur les cellules solaires

Des scientifiques en Australie et aux États-Unis ont réussi à “convertir” la lumière à faible énergie en lumière à haute énergie, qui peut être capturée par des cellules solaires, d’une nouvelle manière, avec l’oxygène comme ingrédient secret surprenant. Les résultats sont publiés aujourd’hui dans Nature Photonics.

Bien que l’efficacité de cette approche soit relativement faible et que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour parvenir à la commercialisation, cette recherche constitue un développement passionnant, selon l’auteur principal, le professeur Tim Schmidt du Centre d’excellence ARC en sciences de l’excitation et de l’UNSW de Sydney.

“L’énergie du soleil n’est pas seulement de la lumière visible“, explique le professeur Schmidt. “Le spectre est large, incluant la lumière infrarouge qui nous donne de la chaleur et les ultraviolets qui peuvent brûler notre peau.”

“La plupart des cellules solaires, des caméras à dispositif à couplage de charge (CCD) et des photodiodes (un semi-conducteur qui convertit la lumière en courant électrique) sont fabriquées à partir de silicium, qui ne peut pas répondre à une lumière moins énergétique que le proche infrarouge.”

“Cela signifie que certaines parties du spectre lumineux sont inutilisées par nombre de nos dispositifs et technologies actuels“.

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Pour étendre la gamme de sensibilité de ces dispositifs et augmenter potentiellement l’efficacité des cellules solaires, une stratégie consiste à “convertir la lumière”, en transformant la lumière de faible énergie en lumière visible plus énergétique qui peut exciter le silicium.

“Une façon de le faire est de capturer plusieurs photons de lumière de plus petite énergie et de les coller ensemble“, explique le professeur Schmidt.

“Cela peut être fait en faisant interagir les excitons (états liés des électrons et des trous d’électrons qui peuvent transporter l’énergie sans transporter la charge électrique nette) dans les molécules organiques“.

Jusqu’à présent, cela n’avait jamais été réalisé au-delà de la bande interdite du silicium, qui est l’énergie minimale requise pour exciter un électron dans le silicium jusqu’à un état où il peut participer à la conduction. Cependant, les chercheurs d’Exciton Science, basés à l’UNSW de Sydney, ont résolu ce défi. Et ils ont transformé un ennemi familier – l’oxygène – en un ami improbable pour atteindre leur objectif.

Avec des collaborateurs de l’université RMIT et de l’université du Kentucky, les chercheurs ont utilisé des points quantiques semi-conducteurs (des cristaux artificiels à l’échelle nanométrique) pour absorber la lumière à faible énergie, et de l’oxygène moléculaire pour transférer la lumière aux molécules organiques.

Habituellement, l’oxygène est nuisible aux excitons moléculaires, mais à de si basses énergies, son rôle change et il peut servir de médiateur pour le transfert d’énergie, permettant aux molécules organiques d’émettre de la lumière visible, au-dessus de la bande interdite du silicium.

Le professeur Jared Cole de l’université RMIT, auteur de la contribution, déclare : “Ce qui est intéressant, c’est que souvent, sans oxygène, beaucoup de choses fonctionnent bien. Et dès que vous laissez entrer l’oxygène, elles cessent de fonctionner.”

“C’est le talon d’Achille qui a ruiné tous nos plans, mais maintenant, non seulement nous avons trouvé un moyen de le contourner, mais soudain il nous aide.”

Les rendements sont encore faibles, mais les scientifiques ont des stratégies pour améliorer cela dans un futur proche.

“Ce n’est qu’une première démonstration, et il y a beaucoup de matériaux à développer pour fabriquer des cellules solaires commerciales, mais cela nous montre que c’est possible“, dit le professeur Schmidt.

Et l’auteur principal, Elham Gholizadeh, également de l’UNSW Sydney, est optimiste quant au potentiel de ces travaux à avoir un impact positif rapide sur le domaine de la recherche.

“Comme c’est la première fois que nous avons réussi avec cette méthode, nous allons devoir faire face à certains défis“, dit-elle. “Mais j’ai beaucoup d’espoir et je pense que nous pouvons améliorer l’efficacité rapidement. Je pense que c’est très excitant pour tout le monde. C’est une bonne méthode d’utiliser l’oxygène pour transférer l’énergie.”

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