Nanorods de Titane: Le Futur des Panneaux Solaires

Comment les propriétés réactives à la lumière du titane améliorent les performances solaires

La réaction de certains métaux ou éléments spécifiques à la lumière constitue déjà une partie très importante du monde moderne. Cela est évidemment vrai pour le silicium dans les panneaux solaires, mais aussi pour de nombreux capteurs, appareils électroniques et bien d’autres équipements sensibles à la lumière.

Un tel métal est le titane. Bien que la réputation du titane provienne en grande partie de son statut de « super acier », à la fois très résistant, beaucoup plus léger et résistant à la corrosion, ce n’est en réalité pas son utilisation principale.

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

Ces mêmes propriétés optiques expliquent son utilisation dans les écrans solaires, grâce à sa capacité à réfléchir et absorber les UV.

Source: Chemours

Un autre exemple des remarquables propriétés optiques du titane est les pérovskites, un type de cristal naturellement présent composé d’oxyde de calcium et de titane (CaTiO3). Les cellules solaires à pérovskite, souvent appelées cellules solaires à couche mince, peuvent être installées en combinaison avec le silicium ou comme cellule solaire autonome.

Source: Department Of Energy

C’est pourquoi les scientifiques recherchent des moyens de rendre le titane encore plus réactif à la lumière du soleil et aux 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 méthode pour faire pousser des réseaux de nanorods de dioxyde de titane (TiO₂-NA) et ont démontré leur application dans des cellules solaires haute performance.

Ils ont publié leurs résultats dans la revue scientifique Small Methods¹, sous le titre « Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells».

Nanorods Métalliques

Lorsqu’il s’agit de réactions chimiques ou optiques, la surface réelle d’un métal est importante. Si elle est lisse, elle correspond approximativement à la taille du matériau telle que perçue à l’œil nu.

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

Par exemple, c’est ainsi que des chercheurs utilisent des nanorods de nickel pour catalyser la production d’hydrogène sans métaux précieux comme le platine.

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

Source: ResearchGate

Il est connu que les nanorods de TiO₂ monocristallins excellent dans la capture de la lumière et la conduction de charge, les rendant idéaux pour les cellules solaires, les photocatalyseurs et les capteurs.

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

Comment la croissance contrôlée des nanorods est obtenue

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

Source: ResearchGate

Ils servent de germes pour la croissance ultérieure des nanorods. Cette méthode offre un moyen efficace de contrôler la densité des tiges sans modifier leurs dimensions.

Source: ResearchGate

Ainsi, 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

Nanorods de Titane dans l’Efficacité des Cellules Solaires de Nouvelle Génération

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

Source: ResearchGate

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

La cellule solaire a atteint une efficacité de conversion énergétique de 10,44 %, un nouveau record pour ce type de cellule solaire.

Cela ne signifie pas que les cellules solaires CuInS₂ sont encore prêtes pour des applications commerciales, contrairement aux cellules en silicium plus courantes ou même aux cellules à couche mince de pérovskite et de tellurure de cadmium, toutes affichant une efficacité supérieure à 20 %.

Le design est toutefois prometteur, car il pourrait être fabriqué en masse (synthétisé et traité par des méthodes à base de solution) et pourrait théoriquement être aussi efficace que les cellules en silicium.

Ce type de matériau pourrait également être intégré dans d’autres conceptions de cellules solaires, en tant que couche principale d’absorption de la lumière dans un design plus complexe incorporant d’autres éléments.

Comparer les Technologies de Cellules Solaires

Pour mieux comprendre où se situent les cellules solaires CuInS₂ + TiO₂ à nanorods, voici comment elles se comparent à d’autres types majeurs :

Investir dans le Solaire

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

L’entreprise n’utilise pas la technologie classique du silicium cristallin et emploie plutôt ses photovoltaïques à couche mince propriétaires. Basés sur le tellurure de cadmium, ils sont plus efficaces, produits à moindre coût et peuvent être facilement fabriqués en masse. Les panneaux solaires à couche mince 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, utilisant des ressources qui étaient peu exploitées auparavant. Les panneaux à couche mince peuvent également présenter un taux de recyclage élevé.

L’avantage technologique de First Solar, combiné à sa localisation géographique, en fait le bénéficiaire probable de la poussée croissante des pays occidentaux à s’approvisionner en panneaux hors de Chine.

L’entreprise augmente rapidement sa capacité de production, visant une capacité nominale de 25 GW d’ici 2026, contre 11 GW actuellement.

Tout en se concentrant aujourd’hui sur la production des panneaux solaires en tellurure de cadmium les plus matures, First Solar explore d’autres technologies à couche mince dès qu’elles seront prêtes pour une production à l’échelle commerciale.

Il a notamment indiqué dans sa présentation aux investisseurs que la pérovskite devrait disposer d’une « ligne de développement prête à produire des échantillons technologiques de pérovskite, simulant des conditions de fabrication ».

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

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

Bien qu’elle se concentre principalement sur le solaire à couche mince utilisant le tellurure de cadmium jusqu’à présent, son expertise dans la fabrication de panneaux solaires non à base de silicium pourrait lui offrir une avance considérable avec les pérovskites ou d’autres panneaux solaires à base de titane, surtout compte tenu de ses liens étroits avec certains des meilleurs chercheurs de ce domaine.

Dernières Nouvelles et Développements des Actions 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. Unveiling Growth and Photovoltaic Principles in Density-Controllable TiO2 Nanorod Arrays for Efficient Solar Cells. Small Methods. 22 avril 2025. https://doi.org/10.1002/smtd.202500264}