Une nouvelle théorie pour des cellules solaires plus efficaces
Publié par Adrien le 30/01/2014 à 00:00
Source: Université de Montréal

Eric Bitter (gauche) et Carlos Silva révisent les données de leur modèle théorique qui permettrait de concevoir des cellules solaires plus efficaces. (Image: Chris Watts)
Avec leur nouveau modèle théorique, des professeurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Houston (Houston est une ville du Texas au sud des États-Unis. Avec une population de plus de 2 000 000 habitants (Houstoniens) et 5 280 661 dans...) (UH) et de l'Université de Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture, de la finance et des affaires internationales....) ont peut-être trouvé la clé qui permettrait de développer de meilleurs matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) pour les cellules solaires.

Eric Bittner, titulaire de la Chaire professorale de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) et de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) John and Rebecca Moores au College of Natural (Natural est un langage de programmation semi-compilé, édité par la société allemande Software AG.) Sciences and Mathematics de l'UH, et Carlos Silva, professeur agrégé à l'Université de Montréal et titulaire d'une Chaire de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) du Canada en matériaux semi-conducteurs organiques, affirment que leur modèle pourrait ouvrir la voie à la création de nouveaux matériaux pour cellules solaires issus d'un assemblage amélioré de polymères et de fullerènes semi-conducteurs.

Les chercheurs décrivent leurs découvertes dans un article intitulé " Noise-Induced Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit celle de l'énergie, de la...) Coherence Drives Photo-Carrier Generation Dynamics at Polymeric Semiconductor Heterojunctions ", paru le 29 janvier dans Nature Communications, une revue multidisciplinaire qui publie des recherches dans les domaines de la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres vivants (ou ayant...), de la physique et de la chimie.

" Les scientifiques ne savent pas exactement ce qui se passe à l'intérieur des matériaux qui composent les cellules solaires. Notre but était d'élucider les mécanismes photochimiques ou photophysiques fondamentaux qui expliqueraient le fonctionnement de ces cellules ", explique le professeur Bittner.

Les cellules solaires sont composées de semi-conducteurs organiques - généralement des assemblages de différents matériaux. Cependant, ces cellules solaires n'ont qu'une efficacité de 3% environ. Le professeur Bittner précise que les tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) derniers matériaux, des assemblages de fullerènes et de polymères, atteignent à peine 10% d'efficacité.

" La cellule solaire idéale a une limite d'efficacité théorique : la limite de Shockley-Queisser. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...) que nous mettons de l'avant explique comment il serait possible de dépasser cette limite théorique en exploitant les effets de mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation...). Nous croyons qu'il sera possible d'améliorer l'efficacité des cellules solaires lorsque ces effets auront été compris et intégrés dans la conception des cellules. "

Le professeur Silva ajoute : " Dans les semi-conducteurs polymériques, où des plastiques forment la couche active des cellules solaires, la structure électronique du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) est étroitement corrélée au mouvement vibratoire à l'intérieur de la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) des polymères. Les effets de mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet...) quantique associés à ce couplage entre les vibrations et les électrons donnent lieu à une pléthore de phénomènes physiques intéressants qui peuvent être contrôlés pour optimiser l'efficacité des cellules solaires, en concevant par exemple des matériaux qui exploitent ces effets au maximum. "

L'idée du modèle a pris forme durant une période où Eric Bittner, titulaire d'une bourse d'études Fulbright du Canada, occupait un poste de professeur invité à l'Université de Montréal et collaborait avec Carlos Silva, un expert en spectroscopie ultrarapide au laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification...) et en semi-conducteurs organiques.

Le professeur Bittner affirme que la qualité du modèle réside dans sa capacité à décrire ce qui se passe à l'intérieur d'une cellule solaire.

" Notre modèle théorique accomplit des choses qu'un modèle moléculaire ne pourrait pas faire. C'est d'abord et avant tout un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse,...), qui nous permet de modéliser des systèmes beaucoup plus grands, comptant des milliers de molécules. On ne peut pas faire des calculs de chimie quantique (La chimie quantique est l'application de la mécanique quantique aux problèmes de la chimie.) conventionnels avec des systèmes de cette taille. "

Ces calculs ont mené le groupe de recherche du professeur Silva à imaginer une série de nouvelles expériences pour tester les prédictions du modèle.

Les prochaines étapes, selon les scientifiques, se feront en collaboration avec des chercheurs experts en synthèse de polymères et en fabrication de cellules solaires.

Les travaux à l'UH ont été financés par la Robert Welch Foundation et la National Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) Foundation. Les travaux au Canada ont bénéficié du soutien du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.
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