Énergie solaire: Comment une conception de "bâche solaire" peut-elle exploiter le pouvoir du soleil

Le potentiel énergétique des panneaux solaires - et une limitation essentielle de leur utilisation - résulte de la composition de ceux-ci. Le prix des panneaux en silicium est en baisse, de sorte qu’à certains endroits, ils peuvent fournir une électricité à peu près équivalente à celle des combustibles fossiles tels que le charbon et le gaz naturel. Mais les panneaux solaires au silicium sont également encombrants, rigides et cassants, ils ne peuvent donc pas être utilisés n'importe où.

Dans de nombreuses régions du monde où l’électricité n’est pas alimentée régulièrement, des panneaux solaires peuvent éclairer la nuit et fournir de l’énergie pour pomper de l’eau potable, alimenter de petites entreprises familiales ou villageoises, ou même desservir des abris d’urgence et des camps de réfugiés. Mais la fragilité mécanique, la lourdeur et les difficultés de transport des panneaux solaires en silicium suggèrent que le silicium pourrait ne pas être idéal.

S'appuyant sur les travaux d'autres personnes, mon groupe de recherche travaille au développement de panneaux solaires flexibles, qui seraient aussi efficaces qu'un panneau de silicium, mais seraient minces, légers et flexibles. Ce type d’appareil, que nous appelons «bâche solaire», pourrait être étendu à la taille d’une pièce et générer de l’électricité à partir du soleil. Il pourrait être aussi gros qu'un pamplemousse et placé dans un sac à dos. jusqu'à 1000 fois sans se rompre. Certains efforts ont été faits pour rendre les cellules solaires organiques plus flexibles simplement en les rendant ultra-minces, mais une réelle durabilité nécessite une structure moléculaire qui rend les panneaux solaires extensibles et résistants.

Silicium Semiconducteurs

Le silicium est dérivé du sable, ce qui le rend peu coûteux. Et la façon dont ses atomes se tassent dans un matériau solide en fait un bon semi-conducteur, ce qui signifie que sa conductivité peut être activée et désactivée à l'aide de champs électriques ou de lumière. Parce qu’il est bon marché et utile, le silicium est à la base des micropuces et des cartes de circuits imprimés des ordinateurs, des téléphones portables et de tous les autres composants électroniques, transmettant des signaux électriques d’un composant à un autre. Le silicium est également la clé de la plupart des panneaux solaires, car il peut convertir l'énergie de la lumière en charges positives et négatives. Ces charges s'écoulent sur les côtés opposés d'une cellule solaire et peuvent être utilisées comme une batterie.

Mais ses propriétés chimiques signifient également qu’il ne peut pas être transformé en électronique flexible. Le silicium n’absorbe pas la lumière de manière très efficace. Les photons peuvent passer à travers un panneau de silicium trop mince, ils doivent donc être assez épais - environ 100 micromètres, environ l’épaisseur d’un billet d’un dollar - pour qu’aucune lumière ne soit gaspillée.

Semi-conducteurs de nouvelle génération

Mais les chercheurs ont trouvé d'autres semi-conducteurs qui absorbent beaucoup mieux la lumière. Un groupe de matériaux, appelés «pérovskites», peut être utilisé pour fabriquer des cellules solaires presque aussi efficaces que celles en silicium, mais avec des couches absorbant la lumière représentant un millième de l'épaisseur requise avec le silicium. En conséquence, les chercheurs travaillent à la construction de cellules solaires en pérovskite capables d’alimenter de petits aéronefs sans pilote et d’autres dispositifs dans lesquels la réduction de poids est un facteur clé.

Le prix Nobel de chimie 2000 a été attribué aux chercheurs qui ont découvert qu’ils pouvaient créer un autre type de semi-conducteur ultra-mince, appelé polymère semi-conducteur. Ce type de matériau est appelé "semi-conducteur organique" car il est à base de carbone et "polymère" car il est constitué de longues chaînes de molécules organiques. Les semi-conducteurs organiques sont déjà utilisés commercialement, y compris dans le secteur des écrans à diodes électroluminescentes organiques, valant des milliards de dollars, mieux connu sous le nom de téléviseurs OLED.

Les semi-conducteurs polymères ne sont pas aussi efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité que les pérovskites ou le silicium, mais ils sont beaucoup plus flexibles et potentiellement extrêmement durables. Les polymères ordinaires - et non les semi-conducteurs - se retrouvent partout dans la vie quotidienne. Ce sont les molécules qui composent le tissu, le plastique et la peinture. Les semi-conducteurs polymères ont le potentiel de combiner les propriétés électroniques de matériaux comme le silicium avec les propriétés physiques du plastique.

Le meilleur des deux mondes: efficacité et durabilité

Selon leur structure, les plastiques ont un large éventail de propriétés, y compris la flexibilité, comme avec une bâche; et la rigidité, comme les panneaux de carrosserie de certaines automobiles. Les polymères semi-conducteurs ont des structures moléculaires rigides et nombre d'entre eux sont composés de minuscules cristaux. Celles-ci sont essentielles à leurs propriétés électroniques mais tendent à les rendre fragiles, ce qui n’est pas un attribut souhaitable pour les éléments souples ou rigides.

Les travaux de mon groupe ont été axés sur la recherche de moyens de créer des matériaux dotés à la fois de bonnes propriétés semi-conductrices et de la durabilité qui font la réputation des plastiques - qu’ils soient flexibles ou non. Ce sera la clé de mon idée de bâche ou de couverture solaire, mais pourrait également conduire à des matériaux de toiture, des tuiles extérieures, ou peut-être même à la surface des routes ou des parkings.

Ce travail sera la clé pour exploiter le pouvoir de la lumière du soleil - car, après tout, la lumière du soleil qui frappe la Terre en une heure contient plus d’énergie que toute l’humanité n'en utilise en une année.

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation par Darren Lipomi. Lisez l'article original ici.