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Énergie solaire : une révolution avec le graphène et la molybdénite ?

ActualitéClassé sous :physique , énergie renouvelable , graphène

Des chercheurs du MIT pensent qu'en associant du graphène avec un feuillet de molybdénite ou d'un matériau similaire, il est possible d'obtenir des cellules photovoltaïques révolutionnaires. Leur rendement théorique est peu élevé mais elles sont si fines qu'à poids égal, elles surpasseraient largement toutes les cellules solaires connues actuellement.

Dans le schéma du haut, les atomes de molybdène sont en rouge et ceux de soufre en jaune dans le feuillet de molybdénite. Le feuillet de graphène est en bas avec les atomes de carbone en bleu. L'ensemble constitue un matériau capable de convertir l'énergie solaire en électricité. Le rendement est faible, mais il s'agit de la cellule solaire la plus fine conçue jusqu'à maintenant. © Jeffrey Grossman, Marco Bernardi

Les travaux portant sur des dispositifs capables de capter l'énergie solaire à l'aide du graphène sont particulièrement nombreux depuis quelque temps. Certains cherchent à réaliser des phototransistors avec ce matériau extraordinaire, mais ce qui fait le plus rêver et ce qui aurait le plus d'impact sur notre vie est la possibilité d'en faire des cellules photovoltaïques révolutionnaires.

Un groupe de chercheurs du célèbre MIT vient justement de publier dans Nano Letters un article portant sur un nouveau type de cellules solaires à graphène. De prime abord, les performances sont décevantes. La cellule photovoltaïque des chercheurs est nettement moins efficace que les cellules standard, puisque le rendement n'est que de 1 à 2 % pour la cellule à base de graphène quand celles au silicium atteignent 15 à 20 %.

Graphène et TMD, la recette miracle

Mais si l'on se bornait à ces considérations, on passerait à côté d'un point important. L'épaisseur de la cellule des chercheurs du MIT ne fait guère plus de deux atomes, puisqu'elle est formée d'un empilement d'un feuillet de graphène et d'un second feuillet d'épaisseur quasi monoatomique. Celui-ci est constitué de l'association d'un métal de transition, comme le molybdène, et d'un dichalcogénure (un composé dont la formule contient deux ions à deux charges négatives, issus d'éléments de la 16e colonne du tableau périodique comme l'oxygène, le soufre ou le sélénium). Le matériau constituant cette seconde couche est donc un exemple de ce qu'on appelle en anglais des transition metal dichalcogenides (TMD). Un TMD bien connu est la molybdénite, que l'on a présentée il y a quelque temps comme un concurrent du graphène pour la réalisation de transistors.

Une représentation de la structure en nid d'abeille d'un feuillet de graphène. Le graphite de nos crayons est un empilement de telles structures, dont l'épaisseur est celle d'un atome de carbone. © Jannik Meyer

Cette cellule à graphène et TMD est des centaines de milliers de fois moins épaisse qu'une cellule photovoltaïque classique. À poids égal, des capteurs solaires constitués de telles cellules sont considérablement plus efficaces que tous les modèles actuels. Elles seraient particulièrement adaptées pour équiper des avions, des satellites ou des sondes spatiales. De plus, très résistantes aux UV, à l'air et à l'humidité, elles n'ont pas besoin d'être recouvertes d'une couche de verre. Enfin, la molybdénite est très abondante sur Terre.

Un record... pour des cellules photovoltaïques encore théoriques

Devant de telles propriétés, on croit rêver, et cela semble pleinement justifier l'appellation de matériau miracle pour le graphène. La révolution de l'énergie solaire semble à portée de main, mais effectivement, pour le moment, on rêve...

Le travail des chercheurs du MIT est en effet purement théorique et ne repose que sur des calculs . En outre, on ne sait pas encore exfolier la molybdénite de façon industrielle. Mais ce dernier obstacle semble loin d'être insurmontable. Cependant, il y a de nombreux TMD possibles qui attendent d'être explorés en association avec le graphène. Qui peut prévoir ce que vont donner les nanotechnologies avec ces matériaux d'ici dix ans ?

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