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4
février 2015 |
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Le graphène pourrait
révolutionner le photovoltaïque |
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L'industrie du photovoltaïque est
aujourd'hui largement dominée par les panneaux solaires de type
silicium polycristallin, permettant un rendement moyen de 14,5 %,
souvent jugé insuffisant face à l'investissement envisagé. Les
promesses du graphène pourraient modifier la donne.
Les panneaux photovoltaïques actuels utilisent l'effet
photoélectrique, principe selon lequel un photon peut arracher un
électron à un atome. Deux couches de silicium polycristallin, l'une
dopée positivement, l'autre négativement, sont en contact. Lorsqu'un
électron est arraché, un creux se forme tandis qu'un électron
s'échappe, formant ainsi une différence de potentiel au niveau de la
jonction.
La promesse du graphène
Le graphène est-il capable de transformer la lumière en électricité
? C’est ce que suggèrent des chercheurs après avoir converti un seul
photon non en un seul, mais en de multiples électrons. Une belle
promesse pour l’avenir du photovoltaïque.
Ce matériau est devenu très populaire en raison de son extrême
solidité et de sa légèreté. Généré en "pelant" du graphite ou par
culture sur diverses matières, sa production est très rentable. Les
études ont par ailleurs suggéré qu’il pouvait être utilisé comme
matériau photovoltaïque et changer la lumière en électricité. Or,
grâce à une méthode novatrice de spectroscopie, des scientifiques de
l’EPFL viennent de démontrer que l’absorption d’un seul photon
permet au graphène de générer suffisamment d’électrons pour produire
un courant électrique. Leurs travaux sont publiés dans Nano
Letters.
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Structure
moléculaire du graphène. |
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Le graphène est fascinant en termes de
physique fondamentale. A température ambiante, il est par exemple un
meilleur conducteur d’électricité que le cuivre, ce qui le rend
attractif pour la réalisation de circuits ultrarapides. Il est en
outre susceptible de conduire de l’électricité après avoir absorbé
de la lumière, et pourrait donc être utilisé dans le domaine du
photovoltaïque. Jusqu’ici, son potentiel en matière de conversion
électrique efficace restait toutefois difficile à comprendre.
Il s’agit en effet d’un sacré défi, puisque ladite conversion
s’effectue à l’échelle de la femto seconde - 10-15, soit
un quadrillion de seconde - , soit beaucoup trop rapidement pour que
les techniques usuelles puissent détecter le mouvement des
électrons. Afin de surmonter cet obstacle, Jens Christian Johannsen
et Marco Grioni du laboratoire de spectroscopie électronique de
l’EPFL, leurs collègues de l’Université Aarhus ainsi que d’ELETTRA
en Italie ont mis à profit une technique sophistiquée, appelée la "spectroscopie
ultrarapide de photoémission résolue en temps et en angle"
(trARPES). Leurs expériences ont été menées au très fameux
laboratoire
Rutherford
Appleton d’Oxford.
Cette méthode consiste à placer un échantillon de graphène dans une
chambre à vide. Celui-ci est frappé par un laser lumineux à
impulsion ultrarapide, qui excite les électrons, les élevant ainsi à
des stades énergétiques où ils sont capables de conduire un courant
électrique. L’échantillon de graphène est alors soumis à des
impulsions à retardement, qui prennent un cliché de l’énergie de
chaque électron à un temps donné. Répétée à différents moments comme
s’il s’agissait d’un film en stop motion, cette action capture la
dynamique des électrons dans une séquence en direct.
Un seul photon, une foule d’électrons
Les scientifiques ont ensuite utilisé des échantillons "dopés" de
graphène, auxquels des électrons ont été chimiquement ajoutés ou
soustraits. Leurs observations ont révélé qu’en absorbant un seul
photon, ce graphène dopé pouvait exciter plusieurs électrons, et ce
proportionnellement à son degré de dopage. En effet, chaque photon
excite un électron, qui retombe ensuite rapidement à son état
énergétique usuel. Or, sa chute excite en moyenne deux électrons de
plus. "Ce phénomène démontre qu’un système photovoltaïque au
graphène dopé pourrait être efficace pour convertir la lumière en
électricité", explique Marco Grioni.
Les scientifiques ont ainsi réalisé les toutes premières
observations de l’effet de multiplication photon-électron du
graphène, ce qui en fait un composant très prometteur pour tout
appareil qui transforme la lumière en électricité. De nouveaux
systèmes photovoltaïques pourraient en effet récolter de la lumière
sur l’entièreté de son spectre avec des pertes énergétiques
moindres.
Suite à ce premier succès, les chercheurs se donnent désormais comme
objectif d’explorer des phénomènes similaires dans d’autres
matériaux 2D, comme le sulfure de molybdène (MoS²), qui est déjà
connu pour ses excellentes propriétés électroniques et catalytiques.
Sources :
Tunable Carrier Multiplication and Cooling in Graphene
Ultrafast Dynamics of Defect-Assisted Electron–Hole Recombination in
Monolayer MoS²
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Le graphène est un
matériau bidimensionnel cristallin forme allotropique du carbone
dont l'empilement
constitue le graphite. Il a été isolé en 2004 par Andre Geim, du
département de physique de l'université
de Manchester. Pour cette découverte, Andre Geim a reçu, avec
Konstantin Novoselov, le prix Nobel de
physique en 2010. Cette image de molécules de graphène a été obtenue
par microscopie à force atomique
à l'Université de Californie. |
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