Invention d'un panneau solaire à base de graphène et de boîtes quantiques

Un collectif international de chercheurs du MEPhI de l'Université nationale de recherche nucléaire, de l'Université ITMO et de Hosei University (Tokyo) a commencé un travail sur la création de structures bidimensionnelles hybrides à base de graphène et de boîtes quantiques (ou points quantiques).

L'objectif de ce projet consiste à créer une structure aux propriétés optiques et photoélectriques contrôlées, pour l'utiliser par la suite dans les panneaux solaires. Le résultat final du projet consistera à élaborer un prototype de panneau solaire dont l'efficacité surpassera ses analogues actuels.

Pour la création du matériau nanohybride avec l'usage de boîtes quantiques a été choisi un graphène constitué d'une couche carbonique cristalline de l'épaisseur d'un atome. Il possède des propriétés uniques, notamment une haute conductivité électrique, ce qui en fait un matériau très prometteur et demandé dans le domaine nanoélectronique.

"Le principal objectif du projet est la création de nanostructures hybrides et l'étude des mécanismes physiques qui contrôlent la photogénération des porteurs de charge dans les minces couches de boîtes quantiques appliquées à la surface des feuilles de graphène, ainsi que le transfert sans rayonnement des porteurs de boîtes quantiques dans le graphène", a déclaré le professeur Igor Nabiev du MEPhI.

"Nous mènerons un travail de recherche qui permettra de comprendre comment il est possible d'améliorer l'efficacité des panneaux solaires actuels. Le résultat final du projet sera de créer le prototype d'un panneau solaire de plus grande efficacité qu'aujourd'hui", résume le professeur Igor Nabiev.

Les nanostructures hybrides 2D réunissant plusieurs éléments avec différentes propriétés fonctionnelles et affichant un effet synergétique seront les futurs "blocs de construction" pour obtenir de nouveaux types de matériaux nanostructurels avec les propriétés optiques et photoélectriques nécessaires. Premièrement, on parvient à utiliser les propriétés uniques des boîtes quantiques comme un concentreur efficace d'énergie lumineuse dans un large diapason spectral; deuxièmement, les propriétés électriques spécifiques du graphène sont exploitées.

Comme l'explique le professeur Alexandre Baranov de l'université ITMO de Saint-Pétersbourg, l'équipe de chercheurs s'est fixé pour objectif de créer des structures 2D denses à partir de boîtes quantiques synthétisées par le MEPhI sur la surface du graphène et d'étudier leurs propriétés électro-optiques.

Dans le cadre du projet seront définis les mécanismes physiques qui contrôlent la photogénération des porteurs dans les minces couches de boîtes quantiques; l'efficacité du transfert sans rayonnement des porteurs des boîtes quantiques au graphène; et les paramètres (statiques et cinétiques) de la réponse photoélectrique de la structure hybride à son rayonnement par une lumière de différente composition spectrale et intensité.

L'accomplissement du projet débouchera sur l'obtention de prototypes de systèmes photovoltaïques compétitifs de nouvelle génération qui se distingueront par leur meilleure efficacité grâce à l'effet de génération multi-exciton — une ionisation de choc accompagnée par un décuplement de photoporteurs du courant. De plus, grâce à l'usage de boîtes quantiques, seront supprimées les "fenêtres de transparence" de recueil d'énergie solaire qui sont les points faibles des panneaux solaires à base de silicium et de germanium.

"L'amélioration de l'efficacité des nouveaux systèmes de plusieurs pour cent par rapport aux panneaux solaires actuellement utilisés pourrait constituer un véritable progrès dans la création de nouvelles sources d'énergie renouvelable", estime Igor Nabiev.

D'après le chercheur, "cette initiative scientifique est un exemple de coopération des universités russes membres du programme Projet 5-100".