Des nanofils pour une énergie durable et renouvelable
Avec les technologies radicalement nouvelles qui modifient la manière dont nous générons et utilisons l’énergie, l’une des gageures les plus significatives sera d’accroître l’efficacité et de réduire le coût de l’énergie produite. Les nanotechnologies ouvrent des voies fondamentalement nouvelles pour répondre à de tels défis. En particulier, les nanofils semi-conducteurs sont annoncés comme un super-matériau révolutionnaire qui serait en mesure d’accroître la rentabilité tout en réduisant la quantité de matériau nécessaire pour la conversion énergétique. Stimulé par le potentiel prometteur des nanofils, des chercheurs ont mis en place le projet PHD4ENERGY. Ce projet offre à 12 doctorants l’opportunité de mener des recherches collaboratives interdisciplinaires dans le domaine des nanosciences. Cellules solaires multi-jonctions, LED sans phosphore Au cours des dernières années, les recherches menées sur les nanofils semi-conducteurs ont contribué à améliorer la compréhension des structures à l’échelle atomique et à révéler des phénomènes physiques nouveaux à l’échelle du nanomètre. «Les nanofils semi-conducteurs offrent la possibilité de combiner facilement des matériaux à croissance épitaxiale. Ce qui laisse, par exemple, plus de liberté dans le choix des matériaux lors de la conception de structures multi-jonctions ou d’hétérostructures par comparaison avec les dispositifs planaires, et pourrait ainsi permettre des rendements supérieurs avec des structures plus simples», note le professeur Linke Heiner. «Les microfissures qui se forment dans les modules de cellules solaires planaires quand les matériaux sont peu compatibles sont l’une des principales sources de perte d’énergie», explique encore le professeur Heiner. Un autre des avantages de l’utilisation des nanofils est la possibilité d’ajuster précisément leur interaction avec la lumière. Les nanostructures absorbent efficacement la lumière et peuvent agir comme des «antennes», elles captent bien plus de lumière et par conséquent utilisent bien moins de matériau et sont donc beaucoup plus durables. Le fait qu’elles puissent attirer la lumière présente autour d’elles ouvre la voie à des utilisations photovoltaïques à grande échelle en ne recourant qu’à une fraction du matériau. En tirant parti du diamètre réduit et de la forme géométrique cylindrique des tous petits fils constitués à partir de semi-conducteurs III-V, l’équipe du projet est parvenue à concevoir des structures de dispositif uniques comme des hétérojonctions axiales et radiales. Les avantages de cette approche sont que les propriétés conductrices peuvent être modulées sur la longueur ou sur le rayon du nanofil. Un autre succès important vers la mise au point de cellules solaires à haut rendement basées sur des nanofils multi-jonctions inclut la conception de diodes à effet tunnels à nanofils, connues sous le nom de diodes Esaki, pour un usage dans les cellules solaires tandem. Une part significative des travaux réalisés était consacrée à la conception de structures LED de l’ordre du nanomètre. Pour les LED à lumière visible, les nitrures d’éléments III - nitrure de gallium-indium, sont très appropriés aux bandes interdites dans le spectre visible des énergies photoniques. Ces LED sans phosphore ont contribué à la mise au point d’émission de lumière à plus longue longueur d’onde pour la lumière blanche. Des chercheurs ont également mené des études approfondies sur les propriétés avantageuses des nanofils thermoélectriques. Par exemple, ils ont montré pour la première fois dans une expérience que la chaleur peut être convertie en électricité avec un rendement électronique équivalant à celui des centrales électriques optimisées. En travaillant étape par étape sur toutes les activités visant à mettre au point ces applications, les doctorants ont également exploré la sécurité de leurs nanofils, vérifiant leur potentielle toxicité. PHD4ENERGY a examiné de nouveaux concepts et de nouvelles technologies qui ouvrent la voie au développement de systèmes photovoltaïques nouvelle génération et de sources de lumière efficaces. Ne perdant pas de vue les perspectives professionnelles des titulaires du doctorat, le projet a promu la collaboration entre les étudiants et le secteur industriel à travers un programme de formation au sein de l’université de Lund. L’université d’été PhD4Energy 2016 sur les convertisseurs d’énergie à l’échelle nano a été également un succès majeur comptant avec la présence d’éminents conférenciers de renommée internationale. De nombreux diplômés universitaires et chercheurs post-doctorat y ont participé.
Mots‑clés
PHD4ENERGY, nanofil, cellules solaires, LED, nanofils semi-conducteurs, photovoltaïque, récupération d'énergie, nanotechnologies, conversion énergétique
