Nano-arbres de nanofils ZnO boostent l'efficacité des cellules solaires à colorant sensibilisé

Des chercheurs du Applied Nano Tech & Science Lab à l'Institut avancé coréen des sciences et technologies et du Laser Thermal Lab à UC Berkeley ont développé une architecture nano-arbre qui améliore significativement les performances des cellules solaires à colorant sensibilisé (DSSC).

Cellules solaires à colorant sensibilisé

Depuis la fin des années 1960, les scientifiques ont découvert que les colorants organiques peuvent convertir la lumière en électricité lorsqu'ils sont couplés avec des électrodes d'oxyde. Ce principe a été démontré pour la première fois en 1972 avec de la chlorophylle extraite d'épinards, posant les bases des DSSC — dispositifs à film mince combinant une anode photo-sensibilisée avec un électrolyte.

Dans une DSSC, les molécules de colorant sont généralement de taille nanométrique, pourtant une couche de colorant suffisamment épaisse est requise pour capter assez de lumière. Les échafaudages nanostructurés fournissent une grande surface pour le chargement en colorant sans compromettre l'encombrement du dispositif.

Avantages clés

Les DSSC peuvent être fabriquées par impression rouleau, sont semi-flexibles et semi-transparentes, et reposent sur des matériaux peu coûteux. Bien que leurs rendements de conversion (≈ 11 %) soient inférieurs aux cellules silicium conventionnelles (> 15 %), leur ratio coût-performance favorable les rend compétitives avec la génération fossile.

Synthèse nano-arbre hydrothermale

S'inspirant du ramification naturelle des arbres, l'équipe a employé une méthode hydrothermale suivie d'élimination de polymère et de dépôt de graines pour faire croître des nanofils d'oxyde de zinc (ZnO) ressemblant à des arbres miniatures avec de nombreuses branches.

Gains de performance

Les dispositifs construits avec ces nanofils ZnO ramifiés présentent une densité de courant de court-circuit et un rendement global de conversion lumière-électricité près de quatre fois supérieurs à ceux utilisant des nanofils ZnO alignés verticalement. L'amélioration provient de la surface accrue pour le chargement en colorant et de la récolte de lumière améliorée, ainsi que de la recombinaison de charge réduite grâce à la conduction directe le long des branches cristallines.

Au-delà des cellules solaires, l'architecture nano-arbre hiérarchique est prometteuse pour le stockage d'énergie à haute capacité et les dispositifs de consommation d'énergie efficaces.