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Les cellules solaires du futur seront-elles faites de nanofils ?

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La limite de Shockley-Queisser des cellules solaires classiques ne permettait pas d'espérer un rendement supérieur à 33,7 %. Mais d'après une récente publication de chercheurs du Niels Bohr Institute de Copenhague et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, ce n'est probablement pas le cas avec des nanofils.

Freeman Dyson a prophétisé qu'un âge d'or basé sur une énergie solaire abondante et peu coûteuse adviendrait au XXIe siècle. L'histoire lui donnera-t-elle raison ? © Monroem, Wikipédia, cc by sa 3.0

Si l'on pouvait réaliser de la photosynthèse artificielle ou produire de l'hydrogène en utilisant l'énergie du Soleil avec des systèmes performants et à bas coût, cela pourrait contribuer à changer l'histoire de l'humanité au XXIe siècle, selon le scénario imaginé par Freeman Dyson dans son livre Le soleil, le génome et Internet.

La récente publication d'un article dans le journal Nature Photonics, disponible en accès libre sur arxiv, pourrait contribuer à la réalisation des rêves du grand physicien dans un avenir proche. Elle concerne l'efficacité inattendue de cellules solaires constituées de nanofils en arséniure de gallium (GaAs) pour la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Ces nanofils ont un diamètre de l'ordre de 100 nanomètres. Leur taille est comparable à celle d'un virus, et ils sont donc jusqu'à 1.000 fois plus fins qu'un cheveu humain.

Parce que leur diamètre est plus petit ou comparable aux longueurs d'onde de la lumière visible, ils collectent entre 12 et 15 fois plus d'énergie lumineuse qu'une cellule conventionnelle vers ces longueurs d'onde. À tel point que les auteurs de cette découverte, des chercheurs du Nano-Science Center du Niels Bohr Institute de Copenhague et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, espèrent grâce à ces nanofils réaliser des cellules solaires de troisième génération, capables de dépasser la mythique limite de Shockley-Queisser.

Des images de la forêt de nanofils d'arséniure de gallium (GaAs) à l’efficacité de conversion de la lumière solaire en électricité spectaculaire. Elles ont été obtenues à l’aide d’un microscope électronique. © Nano-Science Center, Niels Bohr Institute

Cellules solaires de troisième génération

Rappelons que la limite de Shockley-Queisser a été évaluée la première fois en 1960 par Hans J. Queisser et William Shockley. Ce dernier est colauréat avec John Bardeen et Walter Houser Brattain du prix Nobel de physique en 1956 pour leurs recherches sur les semi-conducteurs et leur découverte de l'effet transistor. Cette limite concerne l'efficacité de conversion maximale de l'énergie lumineuse du Soleil que l'on peut atteindre avec une jonction p-n en physique des semi-conducteurs. De nos jours, on considère qu'elle vaut 33,7 %, une valeur guère plus élevée que celle obtenue en 1960 par le calcul. Si le coût de fabrication des cellules solaires avec jonction p-n a été divisé environ par 20 depuis les années 1970, l'efficacité de celles qui sont commercialisées plafonne à 20 % dans le meilleur des cas.

Si les chercheurs ont raison, les cellules solaires du futur seront non seulement plus efficaces mais aussi moins chères avec des nanofils. Elles pourraient nécessiter 10.000 fois moins de matière. Bien que le coût de panneaux en nanofils d'arséniure de gallium soit encore de 100.000 dollars par mètre carré, on estime que les prix pourraient chuter à seulement 10 dollars. Bon nombre de dispositifs, comme des téléphones portables ou même des sondes pour exploiter les astéroïdes, pourraient bien être équipés de ce type de cellules solaires.

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