Ce capteur de lumière "Harry Potter" atteint une efficacité magique de 200 %.
Riccardo Ollearo, de l'université technologique d'Eindhoven, a mis au point une photodiode d'une sensibilité dont beaucoup ne peuvent que rêver.
Les panneaux solaires dotés de plusieurs cellules empilées battent actuellement des records. Une équipe de chercheurs de l'université technologique d'Eindhoven et du TNO au centre Holst a réussi à fabriquer des photodiodes - basées sur une technologie similaire - avec un rendement photoélectronique de plus de 200 %. On pourrait penser que des rendements supérieurs à 100 % ne sont possibles qu'en recourant à l'alchimie et à d'autres tours de passe-passe à la Harry Potter. Mais c'est possible. La réponse se trouve dans le monde magique du rendement quantique et des cellules solaires superposées.
René Janssen, professeur à l'université de technologie d'Eindhoven et co-auteur d'un nouvel article de Science Advances, explique. "Je sais, cela semble incroyable. Mais nous ne parlons pas ici d'efficacité énergétique normale. Ce qui compte dans le monde des photodiodes, c'est l'efficacité quantique. Au lieu de la quantité totale d'énergie solaire, on compte le nombre de photons que la diode convertit en électrons.
Je compare toujours cela à l'époque où nous avions encore des florins et des lires. Si un touriste néerlandais n'avait reçu que 100 lires pour ses 100 florins pendant ses vacances en Italie, il aurait pu se sentir un peu lésé. Mais comme, en termes quantiques, chaque florin équivaut à une lire, ils ont tout de même obtenu un rendement de 100 %. Cela vaut également pour les photodiodes : plus la diode est capable de détecter de faibles signaux lumineux, plus son efficacité est élevée."
On pourrait croire que des rendements supérieurs à 100 % ne sont possibles qu'en recourant à l'alchimie et à d'autres techniques de sorcellerie dignes de Harry Potter. Mais c'est possible. La réponse se trouve dans le monde magique de l'efficacité quantique et des cellules solaires empilées (image symbolique).
Computer-generated image
Détails de la photodiode utilisée dans le cadre expérimental.
TU/e | Bart van Overbeeke
Courant d'obscurité
Les photodiodes sont des dispositifs semi-conducteurs sensibles à la lumière qui produisent un courant lorsqu'ils absorbent les photons d'une source lumineuse. Elles sont utilisées comme capteurs dans de nombreuses applications, notamment à des fins médicales, pour le suivi des vêtements, la communication lumineuse, les systèmes de surveillance et la vision industrielle. Dans tous ces domaines, une sensibilité élevée est essentielle.
Pour qu'une photodiode fonctionne correctement, elle doit remplir deux conditions. Premièrement, elle doit minimiser le courant généré en l'absence de lumière, appelé courant d'obscurité. Moins le courant d'obscurité est important, plus la diode est sensible. Deuxièmement, elle doit être capable de distinguer le niveau de lumière de fond (le "bruit") de la lumière infrarouge pertinente. Malheureusement, ces deux éléments ne vont généralement pas de pair, bien au contraire.
Tandem
Il y a quatre ans, Riccardo Ollearo, l'un des doctorants de Janssen et principal auteur de l'article, a entrepris de résoudre cette énigme. Dans le cadre de ses recherches, il s'est associé à l'équipe de photodétecteurs travaillant au Holst Centre, un institut de recherche spécialisé dans les technologies de capteurs sans fil et imprimés. M. Ollearo a construit une diode dite tandem, un dispositif qui combine à la fois des cellules photovoltaïques pérovskites et organiques.
En combinant ces deux couches - une technique également de plus en plus utilisée dans les cellules solaires de pointe - il a pu optimiser les deux conditions, atteignant un rendement de 70 %.
"Impressionnant, mais pas suffisant", déclare le jeune chercheur italien ambitieux. "J'ai décidé de voir si je pouvais augmenter encore l'efficacité à l'aide de la lumière verte. Je savais, grâce à des recherches antérieures, qu'en éclairant les cellules solaires avec une lumière supplémentaire, on pouvait modifier leur efficacité quantique et, dans certains cas, l'améliorer. À ma grande surprise, cela a fonctionné encore mieux que prévu pour améliorer la sensibilité de la photodiode. Nous avons pu augmenter l'efficacité pour la lumière proche infrarouge à plus de 200 % !"
Mystère
À ce stade, les chercheurs ne savent toujours pas exactement comment cela fonctionne, bien qu'ils aient élaboré une théorie qui pourrait expliquer l'effet.
"Nous pensons que la lumière verte supplémentaire conduit à une accumulation d'électrons dans la couche de pérovskite. Celle-ci agit comme un réservoir de charges qui sont libérées lorsque les photons infrarouges sont absorbés par la couche organique", explique Ollearo. "En d'autres termes, chaque photon infrarouge qui passe et est converti en un électron, est accompagné d'un électron en prime, ce qui donne une efficacité de 200 % ou plus. Imaginez que vous obteniez deux lires pour votre florin, au lieu d'une seule !"
La diode à l'épreuve
Le chercheur a testé en laboratoire la photodiode, qui est cent fois plus fine qu'une feuille de papier journal et qui peut être utilisée dans des dispositifs flexibles. "Nous voulions voir si le dispositif pouvait capter des signaux subtils, comme le rythme cardiaque ou respiratoire d'un être humain dans un environnement avec un éclairage de fond réaliste. Nous avons opté pour un scénario en intérieur, lors d'une journée ensoleillée avec les rideaux partiellement fermés. Et ça a marché !"
En tenant le dispositif à 130 cm d'un doigt, les chercheurs ont pu détecter d'infimes changements dans la quantité de lumière infrarouge renvoyée dans la diode. Ces changements s'avèrent être une indication correcte des variations de la pression sanguine dans les veines d'une personne, qui indiquent à leur tour le rythme cardiaque. En pointant l'appareil sur la poitrine de la personne, ils ont pu mesurer le rythme respiratoire à partir des mouvements lumineux dans le thorax".
Futur
Avec la publication de l'article dans Science Advances, le travail d'Ollearo est pratiquement terminé. Il soutiendra sa thèse de recherche le 21 avril. Alors, la recherche s'arrête-t-elle là ?
"Non, certainement pas. Nous voulons voir si nous pouvons encore améliorer le dispositif, par exemple en le rendant plus rapide", explique M. Janssen. "Nous voulons également explorer la possibilité de tester cliniquement le dispositif, par exemple en collaboration avec le projet FORSEE."
Le projet FORSEE, dirigé par la chercheuse de la TU/e Sveta Zinger et en collaboration avec l'hôpital Catharina d'Eindhoven, développe une caméra intelligente capable d'observer le rythme cardiaque et respiratoire d'un patient.
Espérons que les chercheurs de la TU/e et du TNO continueront à prouver qu'il n'est pas nécessaire d'être un Harry Potter pour réaliser des prouesses scientifiques !
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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