5 panneaux solaires insolites du futur

Aujourd'hui panneaux solaires en silicium - loin de la finale sur le chemin de la maîtrise de l'énergie solaire et de sa conversion en énergie électrique utile. De nombreux travaux sont encore en cours de réalisation par des scientifiques, et dans cet article nous considérerons cinq solutions inhabituelles que certains des chercheurs modernes développent.

Le Laboratoire national américain des énergies renouvelables (NREL) est construit une batterie solaire à base de cristaux semi-conducteurs dont la taille ne dépasse pas plusieurs nanomètres, ce sont les soi-disant points quantiques. L'échantillon est déjà un champion en termes d'efficacité quantique externe et interne, qui s'élevaient respectivement à 114% et 130%.

Ces caractéristiques montrent le rapport entre le nombre de paires électron-trou générées et le nombre de photons incidents sur l'échantillon (efficacité quantique externe) et le rapport entre le nombre d'électrons générés et le nombre de photons absorbés (efficacité quantique interne) pour une certaine fréquence.

L'efficacité quantique externe est inférieure à l'efficacité interne, car tous les photons absorbés ne participent pas à la génération, et certains des photons incidents sur le panneau sont simplement réfléchis.

L'échantillon se compose des parties suivantes: un verre dans un revêtement antireflet, une couche d'un conducteur transparent, puis des couches nanostructurées d'oxyde de zinc et des points quantiques de séléniure de plomb, puis d'éthanedithiol et d'hydrazine, et une fine couche d'or comme électrode supérieure.

L'efficacité totale d'une telle cellule est d'environ 4,5%, mais cela suffit pour l'efficacité quantique assez élevée obtenue expérimentalement de cette combinaison de matériaux, ce qui signifie une optimisation et une amélioration à venir.

Pas une seule cellule solaire n'a montré une efficacité quantique externe supérieure à 100%, tandis que l'unicité de ce développement NREL réside dans le fait que chaque photon qui tombe sur la batterie crée plus d'une paire électron-trou à la sortie.

La raison du succès était la génération multiple d'excitons (MEG), un effet qui a d'abord été utilisé pour créer une batterie solaire à part entière capable de produire de l'électricité. L'intensité de l'effet est associée aux paramètres du matériau, à la bande interdite dans le semi-conducteur, ainsi qu'à l'énergie du photon incident.

La taille du cristal est cruciale, car c'est dans un volume minuscule que les points quantiques limitent les porteurs de charge et peuvent collecter l'excès d'énergie, sinon cette énergie serait simplement perdue sous forme de chaleur.

Le laboratoire estime que les éléments basés sur l'effet MEG sont des candidats très dignes pour le titre d'une nouvelle génération de panneaux solaires.

Une autre approche inhabituelle pour créer des cellules solaires a été suggérée par Prashant Kamat de l'Université de Notre Dame. Son groupe a développé une peinture à base de points quantiques de dioxyde de titane recouvert de sulfure de cadmium et de séléniure de cadmium sous la forme d'un mélange eau-alcool.

La pâte a été appliquée sur une plaque de verre avec une couche conductrice, puis cuite, et le résultat a été batterie photovoltaïque. Un substrat transformé en panneau photovoltaïque n'a besoin que d'une électrode sur le dessus, et il est possible d'obtenir un courant électrique en le plaçant au soleil.

Les scientifiques pensent qu'à l'avenir, il sera possible de créer de la peinture pour les voitures et les maisons, et donc de transformer, par exemple, le toit d'une maison ou la carrosserie de la voiture, peinte avec cette peinture spéciale, en panneaux solaires. C'est le principal objectif des chercheurs.

Bien que le rendement ne soit pas élevé, seulement 1%, ce qui est 15 fois moins que les panneaux de silicium conventionnels, la peinture solaire peut être produite en gros volumes et à très peu de frais.Ainsi, les besoins énergétiques du futur peuvent être satisfaits, disent les chimistes du groupe Kamat, qui appellent leur progéniture "Sun-Believable", qui se traduit par «solaire probable».

Suivant inhabituel méthode de conversion de l'énergie solaire offre au Massachusetts Institute of Technology. Andreas Mershin et ses collègues créés batteries expérimentales basées sur un complexe de molécules biologiques capables de "collecter" la lumière.

Le photosystème PS-1, emprunté à la cyanobactérie Thermosynechococcus elongatus, a été proposé par le biologiste moléculaire Shuguan Zhang et plusieurs de ses semblables 8 ans avant le début des expériences en cours, Andreas Mershin.

L'efficacité des systèmes s'est avérée n'être que d'environ 0,1%, mais c'est déjà une étape importante sur la voie d'une introduction massive dans la vie quotidienne, car les coûts de création de tels appareils sont extrêmement faibles, et en général, les propriétaires biologiques peuvent créer leurs propres batteries en utilisant un ensemble de produits chimiques et une pile d'herbe fraîchement coupée. . Pendant ce temps, un certain nombre d'améliorations porteront l'efficacité à 1-2%, c'est-à-dire à un niveau commercialement viable.

Des cellules similaires précédentes avec des systèmes photos ne pouvaient fonctionner raisonnablement que sous une lumière laser concentrée strictement sur la cellule, puis uniquement dans une plage de longueurs d'onde étroite. En outre, des produits chimiques coûteux et des conditions de laboratoire étaient nécessaires.

Un autre problème était que les complexes moléculaires extraits des plantes ne pouvaient pas exister longtemps. Aujourd'hui, l'équipe de l'institut a développé un ensemble de peptides tensioactifs qui enveloppent le système et le conservent pendant longtemps.

En augmentant l'efficacité de la collecte de la lumière, l'équipe du Massachusetts Institute of Technology a résolu le problème de la protection des photosystèmes contre le rayonnement ultraviolet, qui endommageait auparavant le photosystème.

Le PS-1 était maintenant semé non pas sur un substrat lisse, mais sur une surface avec une très grande surface efficace, il s'agissait de tubes de dioxyde de titane de 3,8 μm d'épaisseur avec des pores de 60 nm et de tiges d'oxyde de zinc denses de plusieurs micromètres de haut et de plusieurs centaines de nanomètres de diamètre .

Ces variantes de la photoanode ont permis d'augmenter le nombre de molécules de chlorophylle sous la lumière et ont protégé les complexes PS-1 des rayons ultraviolets, car les deux matériaux les absorbent bien. De plus, les tubes en titane et les tiges de zinc jouent également le rôle d'un cadre et agissent comme des porteurs d'électrons, tandis que le PS-1 collecte la lumière, l'assimile et sépare les charges, comme cela se produit dans les cellules vivantes.

Une cellule exposée au soleil a donné une tension de 0,5 volt avec une puissance spécifique de 81 microW par centimètre carré et une densité de photocourant de 362 μA par centimètre carré, ce qui est 10 fois plus élevé que tout autre système biovoltaïque connu précédemment basé sur des photosystèmes naturels.

Parlons maintenant de cellules solaires à base de polymère organique. S'ils établissent une production de masse, ils seront alors beaucoup moins chers que les concurrents du silicium, malgré le fait qu'ils ont déjà atteint une efficacité de 10,9%. Batterie solaire polymère tandem, créé par une équipe de scientifiques de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA), comporte plusieurs couches, chacune fonctionnant avec sa propre partie du spectre.

Une combinaison réussie de différentes substances qui n'interfèrent pas entre elles lors de la collaboration est le point le plus important. Pour cette raison, les auteurs ont spécialement développé des polymères conjugués à faible bande interdite.

En 2011, les scientifiques ont réussi à obtenir une telle cellule polymère monocouche avec une efficacité de 6%, tandis que la cellule tandem a montré une efficacité de 8,62%. En travaillant plus loin, les chercheurs ont décidé d'élargir la gamme du spectre de travail dans la région infrarouge, et ils ont dû ajouter le polymère de la société japonaise Sumitomo Chemical, grâce auquel ils ont réussi à atteindre une efficacité de 10,9%.

Cette conception la plus réussie se compose d'une cellule avant en matériau à large bande interdite et d'une cellule arrière à bande interdite étroite.Les auteurs du développement soutiennent que la création d'un tel convertisseur, y compris le coût des matériaux, n'est pas très coûteuse, de plus, la technologie elle-même est compatible avec les panneaux solaires à couches minces fabriqués aujourd'hui.

Il semble qu'au cours des prochaines années, les cellules solaires à base de polymères organiques deviendront commercialement viables, car les développeurs prévoient d'augmenter leur efficacité à 15%, c'est-à-dire au niveau du silicium.

Compléter l'examen panneaux solaires super minces d'une épaisseur de 1,9 micronsqui est 10 fois plus mince que toutes les autres batteries à couche mince créées plus tôt. Ensemble, des scientifiques japonais et autrichiens ont créé un mince panneau solaire organique exceptionnellement flexible. Lors de la démonstration, le produit a été enroulé autour d'un cheveu humain d'un diamètre de 70 μm.

Des matériaux traditionnels ont été utilisés pour fabriquer la batterie, mais le substrat était en téréphtalate de polyéthylène de 1,4 microns d'épaisseur. Avec un rendement de 4,2%, la puissance spécifique de la nouvelle batterie solaire était de 10 watts par gramme, ce qui est généralement 1000 fois plus élevé que l'indicateur correspondant pour les batteries au silicium multicristallin.

À cet égard, il semble prometteur de développer des domaines tels que les «textiles intelligents» et la «peau intelligente», où, en plus des panneaux solaires, les microcircuits électroniques créés à l'aide d'une technologie similaire peuvent être tout aussi fins et flexibles.

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