Que sont les cellules solaires à points quantiques?
Les cellules solaires à points quantiques sont des cellules solaires construites sur un réseau de cristaux fabriqués à l'échelle nanométrique, susceptibles de dépasser les technologies de cellules solaires conventionnelles en raison d'une limitation fondamentale de la façon dont les cellules solaires capturent la lumière solaire. Une cellule solaire standard est construite sur une couche de matériau qui est le plus efficace pour capturer une bande ou une longueur d'onde de lumière particulière. Les points quantiques dans les cellules solaires à points quantiques peuvent toutefois être créés pour capturer plusieurs bandes de lumière en faisant varier leur taille et leur composition chimique au cours du processus de fabrication. Cela permet à un ensemble de types de points quantiques différents sur une couche de substrat de capter une large gamme de longueurs d'onde, les rendant beaucoup plus efficaces et économiques à produire que les cellules solaires standard.
La limite technique pour convertir la lumière du soleil en énergie électrique avec un matériau de cellule solaire constitué d'un type de structure chimique est théoriquement de 31% maximum. Les cellules solaires commerciales à partir de 2011 n'ont toutefois qu'un niveau d'efficacité pratique de 15% à 17% à leur niveau maximum. Des recherches sont en cours depuis des décennies pour trouver des améliorations de la technologie des cellules solaires de plusieurs points de vue, telles que la réduction des coûts du matériau photovoltaïque à base de silicium de haute pureté en substituant des substrats souples en polymère et en métal. La recherche sur les cellules solaires s’est également concentrée sur la capture d’une plage plus large de bandes interdites, en empilant différentes couches de matériaux de cellules solaires ou en fabriquant des cristaux uniques, connus sous le nom de points quantiques, sur une couche de cellules solaires. Toutes les approches ont leurs inconvénients et les cellules solaires à points quantiques tentent également de tirer parti de leurs avantages dans la mesure du possible.
La technologie émergente des cellules solaires à points quantiques repose sur la physique et la chimie des points quantiques eux-mêmes, mais comprend également le principe des cellules solaires multicouches et la possibilité d’incorporer ces composants dans un environnement potentiellement plus facile à fabriquer, substrat souple. Idéalement, la technologie vise à produire ce que l'on appelle une cellule solaire à spectre complet, capable de capturer jusqu'à 85% de la lumière visible et rayonnante et de la convertir en électricité, ainsi que de capturer une partie de la lumière dans les bandes infrarouge et ultraviolette. La production d'énergie de ces cellules solaires avait atteint 42% d'efficacité en laboratoire en 2011, et les efforts actuels consistent à trouver des structures chimiques pratiques et rentables pour une telle technologie, de sorte qu'elle puisse être produite en masse.
Les approches en matière de cellules solaires de nouvelle génération se sont concentrées sur le modèle à trois bandes interdites ou à jonctions multiples, dans lequel différentes couches d'alliages semi-conducteurs d'arséniure de gallium et de nitrate sont interconnectées. Une autre composition chimique multi-jonctions utilise un alliage zinc-manganèse-tellure et des cellules solaires à points quantiques sont également fabriquées à partir de sulfure de cadmium sur un substrat en dioxyde de titane recouvert de molécules organiques pour interconnecter le substrat métallique et les points quantiques. Parmi les autres variantes des trois couches de bande interdite, on peut citer la recherche utilisant du phosphure d'indium-gallium, de l'arséniure d'indium-gallium et du germanium. De nombreuses combinaisons chimiques semblent fonctionner et la taille des molécules utilisées dans le processus, telles que la couche d'interconnexion organique, semble avoir un impact plus direct sur l'efficacité des cellules solaires à points quantiques à capturer un large spectre de lumière plutôt que sur les cellules. chimie réelle des matériaux eux-mêmes. Cependant, les couches d'une cellule solaire à jonctions multiples, y compris les points quantiques eux-mêmes, doivent souvent avoir une épaisseur inférieure à deux nanomètres, ce qui nécessite un niveau de précision extrêmement fin pour que seules les installations de fabrication de puces qui fabriquent des processeurs informatiques et de la mémoire capable de à une échelle de masse.
L’objectif de la recherche sur les cellules solaires à points quantiques est de rendre les cellules solaires à la fois plus efficaces et moins onéreuses à fabriquer. Idéalement, ils seront construits sur des matériaux polymères flexibles afin de pouvoir être peints sur des bâtiments ou utilisés comme revêtement pour les appareils électroniques portables. Ils pourraient alors aussi être tissés dans des tissus synthétiques pour vêtements et tissus d'ameublement dans les voitures. Cela donnerait à la technologie des cellules solaires des applications étendues dans la production d'électricité qui pourraient compléter ou supplanter le besoin d'utilisation de combustibles fossiles pour de nombreux besoins courants des consommateurs, notamment la climatisation, les télécommunications, les transports et l'éclairage. Ces cellules solaires ont été créées en laboratoire aux États-Unis, au Canada, au Japon et dans d’autres pays. La première entreprise à trouver une méthode de production en masse peu coûteuse de la technologie capturera probablement un marché mondial d’une ampleur sans précédent.