Des scientifiques multiplient par 1 000 l’électricité solaire avec des couches ultra-fines

Une avancée récente dans la technologie solaire pourrait transformer ce approche de l’énergie. Une équipe de chercheurs allemands a développé une méthode innovante qui permet d’augmenter considérablement la production électrique de certains matériaux exposés à la lumière, utilisant des couches superposées de cristaux.

Une équipe de chercheurs allemands de l’Université Martin Luther Halle-Wittenberg a récemment réalisé une avancée significative dans la technologie de l’énergie solaire, révélant une méthode pour augmenter considérablement la quantité d’électricité que certains matériaux peuvent générer lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Leur approche consiste à superposer des couches ultraminces de différents cristaux dans un ordre précis, aboutissant à un absorbeur solaire qui surpasse de loin les matériaux traditionnels.

Au cœur de cette découverte, publiée dans Science Advances, se trouve le titanate de baryum (BaTiO₃), un matériau connu pour sa capacité à convertir la lumière en électricité, bien qu’il ne soit pas très efficace seul.

Les scientifiques ont découvert qu’en intégrant de fines couches de titanate de baryum entre deux autres matériaux – titanate de strontium et titanate de calcium – ils pouvaient créer une structure produisant nettement plus d’électricité que le titanate de baryum seul, tout en utilisant une quantité moindre.

Le progrès est marquant. Les structures multicouches ont généré jusqu’à 1 000 fois plus d’électricité que la même quantité de titanate de baryum autonome. De plus, les chercheurs ont pu affiner cet effet en ajustant l’épaisseur de chaque couche, ce qui leur a donné un contrôle sur la performance du système.

« L’important ici est qu’un matériau ferroélectrique est alterné avec un matériau paraélectrique », a déclaré le Dr Akash Bhatnagar, qui a dirigé la recherche. Il a noté que, bien que les matériaux paraélectriques ne séparent pas naturellement les charges électriques, ils peuvent agir comme des ferroélectriques dans des conditions spéciales, comme à basse température ou avec de légers changements de leur structure.

La science derrière ce bond en performance réside dans l’interaction des couches. Lorsque ces matériaux sont superposés, leur capacité à absorber la lumière et à gérer les charges électriques change. La structure multicouche améliore l’absorption de la lumière du soleil et facilite la génération de charges électriques en libre circulation, essentielles pour produire de l’électricité.

« L’interaction entre les couches de la grille semble entraîner une permittivité beaucoup plus élevée – en d’autres termes, les électrons peuvent circuler beaucoup plus facilement grâce à l’excitation par les photons de lumière », a déclaré Bhatnagar.

Pour créer le nouveau matériau, l’équipe a utilisé un laser haute puissance pour vaporiser les cristaux et les redéposer en couches d’à peine 200 nanomètres d’épaisseur. Au total, une structure composée de 500 couches empilées a été réalisée.

Lors des tests sous lumière laser, le courant généré par ce « sandwich cristallin » était jusqu’à 1 000 fois plus fort que celui du titanate de baryum pur de même épaisseur, malgré l’utilisation de deux tiers moins de l’élément photoélectrique. L’effet s’est avéré robuste, restant presque constant pendant six mois.

Les implications pour l’énergie solaire sont considérables. Les panneaux fabriqués avec cette technologie pourraient être beaucoup plus efficaces et nécessiter moins d’espace que les cellules solaires à base de silice actuelles, les rendant particulièrement intéressants pour les environnements urbains où l’espace est limité. Le matériau est aussi plus simple à fabriquer et plus durable, car il ne nécessite pas d’emballage spécial.

Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour comprendre pleinement les mécanismes sous-jacents, les résultats indiquent un avenir prometteur pour les panneaux solaires et les dispositifs équipés par la lumière. En superposant intelligemment différents matériaux, les scientifiques ont ouvert la voie à une génération d’électricité à partir de la lumière de manière beaucoup plus efficace, transformant potentiellement ce façon de capter l’énergie solaire.