Les systems de l’énergie solaire, qui utilisent des cellules solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité ou en combustibles stockables, prennent de l’ampleur dans un monde qui regarde au-delà des combustibles fossiles pour ses besoins énergétiques.
Les panneaux solaires bleu foncé qui parsèment aujourd’hui les toits et les champs ouverts sont généralement fabriqués à partir de silicium, un matériau semi-conducteur bien testé. La technologie photovoltaïque au silicium a cependant ses limites, perdant jusqu’à 40% de l’énergie qu’elle collecte de la lumière du soleil sous forme de perte de chaleur. Des chercheurs de la Colorado Condition College étudient de nouvelles façons radicales d’améliorer l’énergie solaire et d’offrir moreover d’options à explorer à l’industrie.
Les chimistes de la CSU proposent de fabriquer des cellules solaires en utilisant non pas du silicium, mais un matériau naturel abondamment disponible appelé disulfure de molybdène. En utilisant une combinaison créative de methods photoélectrochimiques et spectroscopiques, les chercheurs ont mené une série d’expériences montrant que des movies extrêmement minces de bisulfure de molybdène présentent des propriétés de porteurs de demand sans précédent qui pourraient un jour améliorer considérablement les systems solaires.
Les expériences ont été dirigées par un docteur en chimie. l’étudiante Rachelle Austin et le chercheur postdoctoral Yusef Farah. Austin travaille conjointement dans les laboratoires de Justin Sambur, professeur agrégé au Département de chimie, et d’Amber Krummel, professeur agrégé au même département. Farah est un ancien Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Krummel. Leurs travaux sont publiés dans Actes de l’Académie nationale des sciences.
La collaboration a réuni l’expertise de Sambur dans la conversion de l’énergie solaire à l’aide de matériaux à l’échelle nanométrique et l’expertise de Krummel dans la spectroscopie laser ultrarapide, pour comprendre remark différents matériaux sont structurés et remark ils se comportent. Le laboratoire de Sambur s’est intéressé au sulfure de molybdène comme matériau solaire alternatif achievable sur la foundation de données préliminaires sur ses capacités d’absorption de la lumière même lorsqu’il n’a que trois atomes d’épaisseur, a expliqué Austin.
C’est alors qu’ils se sont tournés vers Krummel, dont le laboratoire contient un spectromètre d’absorption transitoire à pompe-sonde ultrarapide de pointe qui peut mesurer très précisément les états d’énergie séquentiels des électrons individuels lorsqu’ils sont excités par une impulsion laser. Les expériences utilisant cet instrument spécial peuvent fournir des instantanés de la façon dont les expenses circulent dans un système. Austin a créé une cellule photoélectrochimique utilisant une seule couche atomique de sulfure de molybdène, et elle et Farah ont utilisé le laser pompe-sonde pour suivre le refroidissement des électrons lorsqu’ils se déplaçaient à travers le matériau.
Ce qu’ils ont trouvé était une conversion lumière-énergie étonnamment efficace. As well as important encore, les expériences de spectroscopie laser leur ont permis de montrer pourquoi cette conversion efficace était attainable.
Ils ont découvert que le matériau était si bon pour convertir la lumière en énergie parce que sa structure cristalline lui permet d’extraire et d’exploiter l’énergie des soi-disant porteurs chauds, qui sont des électrons hautement énergétiques qui sont brièvement excités à partir de leurs états fondamentaux lorsqu’ils sont frappés avec suffisamment de visibilité. lumière. Austin et Farah ont découvert que dans leur cellule photoélectrochimique, l’énergie de ces porteurs chauds était immédiatement convertie en photocourant, plutôt que perdue sous forme de chaleur. Ce phénomène d’extraction de porteurs chauds n’est pas présent dans les cellules solaires au silicium conventionnelles.
“Ce travail ouvre la voie pour savoir comment concevoir des réacteurs contenant ces matériaux à l’échelle nanométrique pour une generation d’hydrogène efficace et à grande échelle”, a déclaré Sambur.
Le projet était une collaboration avec le professeur Andrés Montoya-Castillo et le Dr Thomas Sayer de l’Université du Colorado à Boulder, qui ont contribué à la chimie théorique et à la modélisation informatique pour aider à expliquer et à vérifier les données expérimentales.
“La découverte a nécessité une approche” scientifique d’équipe “qui a réuni de nombreux sorts d’expertise différents, en chimie informatique, analytique et physique”, a déclaré Krummel.
Les résultats offrent aux scientifiques et aux ingénieurs une piste de recherche pour explorer de nouvelles approches des technologies de l’énergie solaire de demain. Le travail a été soutenu par le Département américain de l’énergie, Office of Simple Strength Sciences.