Nanobâtonnets de titane : l'avenir des panneaux solaires

Comment les propriétés photoréactives du titane améliorent les performances solaires

La réaction de certains métaux ou éléments spécifiques à la lumière est déjà un élément essentiel du monde moderne. C'est évidemment vrai pour le silicium des panneaux solaires, mais aussi pour de nombreux capteurs, appareils électroniques et autres équipements photosensibles.

Le titane est l'un de ces métaux. Si sa réputation repose en grande partie sur sa robustesse, sa légèreté et sa résistance à la corrosion, ce n'est pas son utilisation principale.

Dioxyde de titane (TiO₂) consomme 95 % du minerai de titane brut extrait et est utilisé comme pigment blanc permanent et puissant dans les peintures, le papier, le dentifrice et les plastiques. Ce pigment est résistant à la lumière du soleil et chimiquement inerte. Il peut ensuite être mélangé à des produits chimiques pour créer des couleurs et des peintures éclatantes.

Les mêmes propriétés optiques expliquent pourquoi il est également utilisé dans les crèmes solaires, grâce à sa capacité à réfléchir et à absorber les UV.

Source: Chemours

Un autre exemple des remarquables propriétés optiques du titane est celui des pérovskites, un type de cristal naturel composé d'oxyde de calcium et de titane (CaTiO3). Les cellules solaires à pérovskites, aussi appelées cellules solaires à couches minces, peuvent être installées en combinaison avec du silicium ou comme cellule solaire autonome.

Source: Ministère de l'Énergie

C’est pourquoi les scientifiques cherchent des moyens de faire réagir encore davantage le titane avec la lumière du soleil et d’autres sources lumineuses.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine et de l'Académie chinoise des sciences ont découvert une nouvelle façon de développer des réseaux de nanobâtonnets de dioxyde de titane (TiO₂-NA) et ont démontré leur application dans des cellules solaires hautes performances.

Ils ont publié leurs résultats dans la revue scientifique Small Methods¹, sous le titre "Dévoilement des principes de croissance et de photovoltaïque dans les réseaux de nanotiges de TiO2 à densité contrôlable pour des cellules solaires efficaces ».

Nanotiges métalliques

Lorsqu'il s'agit de réactions chimiques ou optiques, la surface d'un métal est importante. Si elle est lisse, elle aura à peu près la taille du matériau visible à l'œil nu.

Mais si elle possède des microstructures plus complexes, elle peut avoir des dizaines ou des centaines de fois plus de surface de contact, augmentant ainsi l'efficacité et la vitesse de la réaction souhaitée.

Par exemple, voici comment des chercheurs utilisent des nanobâtonnets de nickel pour catalyser la production d'hydrogène sans métaux précieux comme le platine.

La même méthode peut être utilisée pour créer des nanobâtonnets de titane, mesurant à peine quelques nanomètres de diamètre.

Source: ResearchGate

Il est connu que les nanobâtonnets de TiO₂ monocristallins excellent dans la récupération de la lumière et la conduction de charge, ce qui les rend idéaux pour les cellules solaires, les photocatalyseurs et les capteurs.

Cependant, les méthodes de fabrication traditionnelles peinent à contrôler simultanément tous les paramètres, comme la densité, le diamètre et la longueur des tiges. Du moins jusqu'à présent.

Comment la croissance contrôlée des nanobâtonnets est obtenue

Les chercheurs ont amélioré une étape où le film est soumis à un traitement hydrothermique, où les nanoparticules sont converties in situ en rutile (une forme de dioxyde de titane).

Source: ResearchGate

Elles servent de germes pour la croissance ultérieure des nanobâtonnets. Cette méthode permet de contrôler efficacement la densité des bâtonnets sans modifier leurs dimensions.

Source: ResearchGate

De cette manière, les chercheurs ont réussi pour la première fois à produire un diamètre et une hauteur de tige constants, même si le nombre de tiges par zone variait.

Source: ResearchGate

Nanobâtonnets de titane pour l'efficacité des cellules solaires de nouvelle génération

Ces nanobâtonnets ont été incorporés dans des cellules solaires CuInS₂ (cuivre-indium-sulfure) traitées à basse température. Ce type de panneau solaire, encore en développement, pourrait constituer une alternative non toxique aux semi-conducteurs à base de cadmium.

Source: ResearchGate

Les nanobâtonnets de titane ont amélioré le piégeage de la lumière, la séparation des charges et la collecte des porteurs de la cellule solaire.

La cellule solaire a atteint un rendement de conversion de puissance de 10.44 %, un nouveau record pour ce type de cellule solaire.

Cela ne veut pas dire que les cellules solaires CuInS₂ sont déjà prêtes pour des applications commerciales, comme les cellules au silicium plus courantes ou même les cellules à couche mince en pérovskite et en tellurure de cadmium, toutes avec une efficacité supérieure à 20 %.

La conception est cependant prometteuse, car elle pourrait être fabriquée en masse (synthétisée et traitée à l’aide de méthodes basées sur des solutions) et elle pourrait théoriquement être aussi efficace que les cellules au silicium.

Ce type de matériau pourrait également être intégré dans d’autres conceptions de cellules solaires, en tant que couche principale absorbant la lumière dans une conception plus complexe intégrant d’autres éléments.

Comparaison des technologies de cellules solaires

Pour mieux comprendre où se situent les cellules solaires à nanobâtonnets CuInS₂ + TiO₂, voici comment elles se comparent aux autres types importants :

Investir dans l'énergie solaire

Première solaire, Inc.

First Solar est le plus grand fabricant de panneaux solaires aux États-Unis et dans tout l’hémisphère occidental, avec des sites de fabrication aux États-Unis, en Malaisie et au Vietnam.

L'entreprise n'utilise pas la technologie classique du silicium cristallin et utilise plutôt son système photovoltaïque à couches minces exclusifÀ base de tellurure de cadmium, ils sont plus efficaces, moins coûteux à produire et peuvent être facilement fabriqués en série. Les panneaux solaires à couches minces sont également plus durables, conservant 89 % de leurs performances initiales après 30 ans.

Source: First Solar

Le cadmium et le tellurure sont des sous-produits de l'extraction d'autres métaux, ce qui signifie que les produits First Solar ont un impact minimal, en utilisant des ressources qui étaient auparavant peu utiles. Les panneaux à couches minces peuvent également avoir un taux de recyclage élevé.

L'avantage technologique de First Solar, combiné à sa situation géographique, en fait le bénéficiaire probable de la pression croissante exercée par les pays occidentaux pour s'approvisionner en panneaux en dehors de la Chine.

L'entreprise augmente rapidement sa capacité de production, avec pour objectif d'atteindre une capacité nominale de 25 GW d'ici 2026, contre 11 GW actuellement.

Alors que First Solar se concentre aujourd'hui sur la production de panneaux solaires au tellurure de cadmium plus matures, elle explore d'autres technologies à couches minces à mesure qu'elles sont prêtes pour une production à l'échelle commerciale.

Elle a notamment commenté dans sa présentation aux investisseurs que la pérovskite devrait avoir un «ligne de développement prête à produire des échantillons technologiques de pérovskite, simulant des conditions de fabrication similaires ».

First Solar a dépensé un total cumulé de 2 milliards de dollars en R&D depuis sa création.

Dans l’ensemble, First Solar est un leader technologique qui devrait bénéficier des tarifs douaniers sur les importations chinoises, ce qui devrait compenser l’effet négatif de la réélection de Trump sur l’industrie solaire.

Bien qu'elle se concentre principalement jusqu'à présent sur les panneaux solaires à couches minces utilisant du tellurure de cadmium, son expertise dans la fabrication de panneaux solaires sans silicium pourrait lui donner une longueur d'avance significative avec la pérovskite ou d'autres panneaux solaires à base de titane, en particulier compte tenu de ses liens étroits avec certains des meilleurs chercheurs dans ce domaine.

Actualités et développements récents concernant les actions de First Solar (FSLR)

Étude référencée

^{1. Wenbo Cao, Chao Dong, Chaofan Zheng, Jiajin Kuang, Yang Wang, Faisal Naveed, Mengqi Jin, Yingying Dong, Chong Chen, Mingtai Wang. Dévoilement des principes de croissance et photovoltaïques dans les réseaux de nanobâtonnets de TiO2 à densité contrôlable pour des cellules solaires efficaces. Petites Méthodes. 22 avril 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}