Panneaux solaires sur un toit Walmart, Mountain View, Californie.
Walmart / Flickr, CC BY
La demande mondiale d'énergie augmente à chaque heure au fur et à mesure que les pays en développement progressent vers l'industrialisation. Les experts estiment que d'ici l'année 2050, la demande mondiale d'électricité pourrait atteindre 30 terawatts (TW). Pour la perspective, un terawatt est à peu près égale à la puissance de 1.3 milliards de chevaux.
L'énergie du soleil est illimitée - le soleil nous fournit 120,000 TW de puissance à un instant donné - et c'est gratuit. Mais aujourd'hui, l'énergie solaire fournit seulement environ un pour cent de l'électricité du monde. Le défi majeur est de rendre moins coûteux la conversion de la photo-énergie en énergie électrique utilisable.
Pour ce faire, nous devons trouver des matériaux qui absorbent la lumière du soleil et la convertissent efficacement en électricité. De plus, nous voulons que ces matériaux soient abondants, respectueux de l'environnement et rentables pour être transformés en dispositifs solaires.
Des chercheurs du monde entier travaillent à développer des technologies de cellules solaires efficaces et abordables. L'objectif est de ramener le coût d'installation de l'électricité solaire à moins de US $ 1 par watt, par rapport à environ $ 3 par watt aujourd'hui.
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À l'université de Binghamton Centre d'énergie solaire autonome (CASP), nous étudions des moyens de fabriquer des cellules solaires à couche mince en utilisant des matériaux qui sont abondants dans la nature et non toxiques. Nous voulons développer des cellules solaires fiables, très efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité et peu coûteuses à fabriquer. Nous avons identifié deux matériaux qui ont un grand potentiel en tant qu'absorbeurs solaires: la pyrite, mieux connue sous le nom d'or du fou en raison de son lustre métallique; et le cuivre-zinc-étain-sulfure (CZTS).
Cherchant le matériel idéal
Les cellules solaires commerciales actuelles sont fabriquées à partir de trois matériaux: le silicium, le tellurure de cadmium (CdTe) et le cuivre-indium-gallium-séléniure (CIGS). Chacun a ses forces et ses faiblesses.
Les cellules solaires au silicium sont très efficaces, convertissant jusqu'à 25 pour cent de la lumière du soleil qui tombe sur eux en électricité, et très durable. Cependant, il est très coûteux de transformer du silicium en plaquettes. Et ces tranches doivent être très épaisses (à peu près en millimètres 0.3, ce qui est épais pour les cellules solaires) pour absorber toute la lumière du soleil qui tombe sur eux, ce qui augmente encore les coûts.
Les cellules solaires en silicium - souvent appelées cellules solaires de première génération - sont utilisées dans les panneaux qui sont devenus des vues familières sur les toits. Notre centre étudie un autre type appelé cellules solaires à couches minces, qui constituent la prochaine génération de technologie solaire. Comme leur nom l'indique, les cellules solaires à couche mince sont fabriquées en plaçant une fine couche de matériau absorbant l'énergie solaire sur un substrat, tel que du verre ou du plastique, qui peut généralement être flexible.
Ces cellules solaires utilisent moins de matériau, elles sont donc moins coûteuses que les cellules solaires cristallines en silicium. Il n'est pas possible de revêtir du silicium cristallin sur un substrat flexible, nous avons donc besoin d'un matériau différent pour l'utiliser comme absorbeur solaire.
Bien que la technologie solaire à couches minces s'améliore rapidement, certains des matériaux utilisés dans les cellules solaires à couche mince d'aujourd'hui sont rares ou dangereux. Par exemple, le cadmium présent dans le CdTe est hautement toxique pour tous les êtres vivants et est connu pour causer le cancer chez les humains. Le CdTe peut se séparer en cadmium et tellure à des températures élevées (par exemple, dans un laboratoire ou un feu de maison), ce qui présente un risque sérieux d'inhalation.
Nous travaillons avec de la pyrite et du CZTS car ils sont non toxiques et très bon marché. CZTS coûte environ 0.005 cents par watt, et les coûts de pyrite un simple centimes 0.000002 par watt. Ils sont également parmi les matériaux les plus abondants dans la croûte terrestre, et absorbent efficacement le spectre visible de la lumière du soleil. Ces films peuvent être aussi fins que 1 / 1000th d'un millimètre.
Test des cellules solaires CZTS sous une lumière solaire simulée.
Tara Dhakal / Binghamton University, Auteur fourniNous devons cristalliser ces matériaux avant de pouvoir les fabriquer en cellules solaires. Ceci est fait en les chauffant. CZTS cristallise à des températures sous 600 degré Celsius, comparé à 1,200 degrés Celsius ou plus pour le silicium, ce qui le rend moins cher à traiter. Il fonctionne de la même manière que les cellules solaires au séléniure de cuivre et d'indium-gallium (CIGS), qui sont actuellement disponibles dans le commerce, mais qui remplacent l'indium et le gallium dans ces cellules par du zinc et de l'étain moins chers et plus abondants.
Jusqu'à présent, cependant, les cellules solaires CZTS sont relativement inefficaces: elles convertissent moins de 13 pour cent de la lumière du soleil qui leur tombe sur l'électricité, par rapport à 20 pour cent pour les cellules solaires CIGS plus coûteux.
Nous savons que les cellules solaires CZTS ont un potentiel d'efficacité 30. Les principaux défis sont 1) synthétisant un film mince CZTS de haute qualité sans aucune trace d'impuretés, et 2) trouvant un matériau approprié pour la couche "tampon" en dessous, ce qui aide à collecter les charges électriques créées par la lumière solaire dans la couche absorbante. Notre laboratoire a produit un film mince CZTS avec sept pour cent d'efficacité; nous espérons bientôt atteindre l'efficacité en pourcentage de 15 en synthétisant des couches CZTS de haute qualité et en trouvant des couches tampons appropriées.
Structure d'une cellule solaire CZTS.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Auteur fourniLa pyrite est un autre absorbeur potentiel qui peut être synthétisé à très basse température. Notre laboratoire a synthétisé des couches minces de pyrite, et maintenant nous travaillons à superposer ces films dans des cellules solaires. Ce processus est difficile car la pyrite se décompose facilement lorsqu'elle est exposée à la chaleur et à l'humidité. Nous cherchons des moyens de le rendre plus stable sans affecter son absorption solaire et ses propriétés mécaniques. Si nous pouvons résoudre ce problème, "l'or du fou" pourrait se transformer en un dispositif photovoltaïque intelligent.
Dans une étude récente, des chercheurs de l'Université de Stanford et de l'Université de Californie à Berkeley ont estimé que l'énergie solaire pouvait fournir jusqu'à 45 pourcentage de l'électricité aux États-Unis par 2050. Pour atteindre cet objectif, nous devons continuer de réduire le coût de l'énergie solaire et trouver des moyens de rendre les cellules solaires plus durables. Nous croyons que des matériaux abondants et non toxiques sont essentiels pour réaliser le potentiel de l'énergie solaire.
A propos de l'auteur
Tara P. Dhakal, professeur adjoint de génie électrique et informatique, Université de Binghamton, Université d'État de New York. Ses recherches portent sur les énergies renouvelables, en particulier l'énergie solaire. Son objectif de recherche est de réaliser une technologie de cellule solaire qui soit respectueuse de l'environnement et économiquement abordable.
Cet article a été publié initialement le La Conversation. Lis le article original.
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