Cellules solaires en dichalcogénure de métal de transition sur un substrat flexible en polyimide. Crédit : Koosha Nassiri Nazif
De nouveaux matériaux photovoltaïques ultrafins pourraient éventuellement être utilisés dans des applications mobiles, des dispositifs portables et capteurs auto-alimentés aux avions légers et aux véhicules électriques.
Une course est lancée dans l’ingénierie solaire pour créer des panneaux solaires flexibles presque incroyablement minces. Les ingénieurs les imaginent utilisés dans des applications mobiles, des dispositifs portables et capteurs auto-alimentés aux avions légers et aux véhicules électriques. Dans ce contexte, des chercheurs de l’Université de Stanford ont atteint des rendements records dans un groupe prometteur de matériaux photovoltaïques.
L’un des principaux avantages de ces dichalcogénures de métaux de transition – ou TMD – est qu’ils absorbent des niveaux ultra-élevés de la lumière solaire qui frappe leur surface par rapport à d’autres matériaux solaires.
“Imaginez un drone autonome qui s’alimente avec un panneau solaire au sommet de son aile qui est 15 fois plus fin qu’un morceau de papier”, a déclaré Koosha Nassiri Nazif, doctorant en génie électrique à Stanford et co-auteur principal d’une étude publiée dans l’édition du 9 décembre de Communication Nature. “C’est la promesse des TMD.”
Schéma en coupe de l’appareil. Crédit : Koosha Nassiri Nazif
La recherche de nouveaux matériaux est nécessaire car le roi régnant des matériaux solaires, le silicium, est beaucoup trop lourd, encombrant et rigide pour des applications où la flexibilité, la légèreté et la puissance élevée sont prédominantes, telles que les dispositifs portables et les capteurs ou les véhicules aérospatiaux et électriques.
« Le silicium représente aujourd’hui 95 % du marché solaire, mais c’est loin d’être parfait. Nous avons besoin de nouveaux matériaux légers, flexibles et, franchement, plus respectueux de l’environnement », a déclaré Krishna Saraswat, professeur de génie électrique et auteur principal de l’article.
Une alternative compétitive
Alors que les TMD sont très prometteurs, les expériences de recherche à ce jour ont eu du mal à transformer plus de 2% de la lumière du soleil qu’ils absorbent en électricité. Pour les panneaux solaires en silicium, ce chiffre approche les 30 %. Pour être largement utilisés, les TMD devront combler cet écart.
Le nouveau prototype de Stanford atteint une efficacité de conversion de puissance de 5,1%, mais les auteurs prévoient qu’ils pourraient pratiquement atteindre une efficacité de 27% avec des optimisations optiques et électriques. Ce chiffre serait comparable aux meilleurs panneaux solaires sur le marché aujourd’hui, silicium inclus.
Le professeur de génie électrique de Stanford Krishna Saraswat (à gauche) et le doctorant Koosha Nassiri Nazif. Crédit : Mark Golden
De plus, le prototype a réalisé un rapport puissance/poids 100 fois supérieur à tous les TMD encore développés. Ce ratio est important pour les applications mobiles, comme les drones, les véhicules électriques et la capacité de recharger les équipements expéditionnaires en déplacement. En examinant la puissance spécifique – une mesure de la puissance électrique par unité de poids de la cellule solaire – le prototype a produit 4,4 watts par gramme, un chiffre compétitif par rapport aux autres cellules solaires à couche mince actuelles, y compris d’autres prototypes expérimentaux.
“Nous pensons que nous pouvons augmenter ce ratio crucial encore dix fois grâce à l’optimisation”, a déclaré Saraswat, ajoutant qu’ils estimaient la limite pratique de leurs cellules TMD à un remarquable 46 watts par gramme.
Avantages supplémentaires
Leur plus grand avantage, cependant, est leur finesse remarquable, qui non seulement minimise l’utilisation des matériaux et le coût, mais rend également les cellules solaires TMD légères et flexibles et capables d’être moulées dans des formes irrégulières – un toit de voiture, une aile d’avion ou le corps humain. L’équipe de Stanford a pu produire un réseau actif de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur. Le réseau comprend le diséléniure de tungstène photovoltaïque TMD et des contacts en or recouverts d’une couche de conducteur graphène ce n’est qu’un seul atome épais. Tout cela est pris en sandwich entre un polymère souple semblable à une peau et un revêtement antireflet qui améliore l’absorption de la lumière.
Lorsqu’elles sont entièrement assemblées, les cellules TMD ont une épaisseur inférieure à six microns, soit environ celle d’un sac poubelle de bureau léger. Il faudrait 15 couches pour atteindre l’épaisseur d’un seul morceau de papier.
Bien que la minceur, la légèreté et la flexibilité soient tous des objectifs hautement souhaitables en eux-mêmes, les TMD présentent également d’autres avantages techniques. Ils sont stables et fiables sur le long terme. Et contrairement aux autres challengers de la couronne à couche mince, les TMD ne contiennent aucun produit chimique toxique. Ils sont également biocompatibles, de sorte qu’ils pourraient être utilisés dans des applications portables nécessitant un contact direct avec la peau ou les tissus humains.
Un avenir prometteur
Les nombreux avantages des TMD sont contrecarrés par certains inconvénients, principalement dans les complexités techniques de la production de masse. Le processus de transfert d’une couche ultrafine de TMD sur un matériau de support flexible endommage souvent la couche de TMD.
Alwin Daus, qui était co-auteur principal de l’étude avec Nassiri Nazif, a conçu le processus de transfert qui fixe les panneaux solaires TMD minces au substrat flexible. Il a dit que ce défi technique était considérable. Une étape consistait à transférer la couche de graphène atomiquement mince sur un substrat flexible de quelques microns d’épaisseur, a expliqué Daus, qui était chercheur postdoctoral dans le groupe de recherche d’Eric Pop à Stanford lorsque la recherche a été menée. Il est maintenant chercheur principal à l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle en Allemagne.
Ce processus complexe permet au TMD d’être entièrement intégré dans le substrat flexible, ce qui lui confère une plus grande durabilité. Les chercheurs ont testé la flexibilité et la robustesse de leurs appareils en les pliant autour d’un cylindre métallique de moins d’un tiers de pouce d’épaisseur.
« Puissants, flexibles et durables, les TMD sont une nouvelle direction prometteuse dans la technologie solaire », a conclu Nassiri Nazif.
Référence : « Cellules solaires flexibles à haute puissance en dichalcogénure de métal de transition » par Koosha Nassiri Nazif, Alwin Daus, Jiho Hong, Nayeun Lee, Sam Vaziri, Aravindh Kumar, Frederick Nitta, Michelle E. Chen, Siavash Kananian, Raisul Islam, Kwan -Ho Kim, Parc Jin-Hong, Ada SY Poon, Mark L. Brongersma, Eric Pop et Krishna C. Saraswat, 9 décembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-27195-7