Will we soon have windows that can collect solar energy?

Des chercheurs de l'Université du Minnesota et de l'Université de Milan-Bicocca ont travaillé en collaboration pour mettre en place le concept de fenêtres capables de collecter efficacement l'énergie solaire. Ils croient maintenant qu'ils ne sont pas loin de réaliser leur objectif, grâce aux nanoparticules de silicium de haute technologie.
Les chercheurs ont réussi à créer une technologie qui intègre les nanoparticules de silicium dans un concentrateur solaire luminescent efficace (LSC). Les LSC sont la partie la plus importante de la fenêtre pour permettre la capture efficace de l'énergie solaire. Quand la lumière brille à travers la surface, les fréquences communes de lumière sont piégées à l'intérieur et dirigées vers les bords, où de plus petites cellules solaires sont mises en position pour capturer l'énergie.
Les fenêtres qui peuvent collecter l'énergie solaire, appelées fenêtres photovoltaïques, sont la prochaine frontière des technologies d'énergie renouvelable, car elles ont le potentiel d'augmenter largement la surface des bâtiments propices à la production d'énergie sans impact sur leur esthétique - un aspect crucial, en particulier dans les zones métropolitaines . Les fenêtres photovoltaïques à base de LSC ne nécessitent aucune structure volumineuse pour être appliquées sur leur surface et comme les cellules photovoltaïques sont cachées dans le cadre de la fenêtre, elles se fondent de manière invisible dans l'environnement bâti.
L'idée des concentrateurs solaires et des cellules solaires intégrées dans la conception des bâtiments existe depuis des décennies, mais cette étude incluait une différence clé: les nanoparticules de silicium. Jusqu'à récemment, les meilleurs résultats avaient été obtenus en utilisant des nanostructures relativement complexes basées soit sur des éléments potentiellement toxiques comme le cadmium ou le plomb, soit sur des substances rares comme l'indium, déjà largement utilisé pour d'autres technologies. Le silicium est abondant dans l'environnement et non toxique. Il fonctionne également plus efficacement en absorbant la lumière à différentes longueurs d'onde qu'il émet. Cependant, le silicium sous sa forme classique en vrac, n'émet pas de lumière ou de luminescence.

Researchers from the University of Minnesota and the University of Milano-Bicocca have been working in collaboration to bring the concept of windows that can efficiently collect solar energy to a reality. They now believe they are only a short distance away from realizing their goal, thanks to high-tech silicon nanoparticles. 

The researchers have managed to create a technology that embeds the silicon nanoparticles into an efficient luminescent solar concentrator (LSCs). The LSCs are the most important part of the window to enable the efficient capture of solar energy. When light shines through the surface, the common frequencies of light are trapped inside and directed towards the edges, where smaller solar cells are put into a position to capture the energy. 
Windows that can collect solar energy, called photovoltaic windows, are the next frontier in renewable energy technologies, as they have the potential to largely increase the surface of buildings suitable for energy generation without impacting their aesthetics -- a crucial aspect, especially in metropolitan areas. LSC-based photovoltaic windows do not require any bulky structure to be applied onto their surface and since the photovoltaic cells are hidden in the window frame, they blend invisibly into the built environment.

The idea of solar concentrators and solar cells integrated into building design has been around for decades, but this study included one key difference -- silicon nanoparticles. Until recently, the best results had been achieved using relatively complex nanostructures based either on potentially toxic elements, such as cadmium or lead, or on rare substances like indium, which is already massively utilized for other technologies. Silicon is abundant in the environment and non-toxic. It also works more efficiently by absorbing light at different wavelengths than it emits. However, silicon in its conventional bulk form, does not emit light or luminesce.

Dans notre laboratoire, nous «truquons» la nature en évitant la dimension des cristaux de silicium à quelques nanomètres, soit environ un dix millième du diamètre des cheveux humains », a déclaré Uwe Kortshagen, professeur de génie mécanique à l'Université du Minnesota, inventeur du procédé pour créer des nanoparticules de silicium et l'un des auteurs principaux de l'étude. "A cette taille, les propriétés du silicium changent et il devient un émetteur de lumière efficace, avec la propriété importante de ne pas réabsorber sa propre luminescence. C'est la caractéristique principale qui rend les nanoparticules de silicium parfaitement adaptées aux applications LSC. "
"Au cours des dernières années, la technologie LSC a connu une accélération rapide, grâce aussi aux études pionnières menées en Italie, mais trouver des matériaux appropriés pour la récolte et la concentration de la lumière solaire était toujours un défi ouvert", a déclaré Sergio Brovelli, professeur de physique à l'Université de Milano-Bicocca, co-auteur de l'étude et co-fondateur de la société spin-off Glass to Power qui industrialise les LSC pour les fenêtres photovoltaïques. «Il est maintenant possible de remplacer ces éléments par des nanoparticules de silicium.
L'Université du Minnesota a inventé le processus de création de nanoparticules de silicium il y a une douzaine d'années et détient un certain nombre de brevets sur cette technologie. En 2015, Kortshagen a rencontré Brovelli, qui est un expert en fabrication de LSC et avait déjà démontré diverses approches réussies de LSC efficaces basées sur d'autres systèmes de nanoparticules. Le potentiel des nanoparticules de silicium pour cette technologie était immédiatement clair et le partenariat était né. L'Université du Minnesota a produit les particules et les chercheurs en Italie ont fabriqué les LSC en les incorporant dans des polymères à l'aide d'une méthode industrielle, et cela a fonctionné.
"Ce fut vraiment un partenariat où nous avons réuni les meilleurs chercheurs dans leurs domaines pour faire une vieille idée vraiment réussie", a déclaré Kortshagen. «Nous avions l'expertise nécessaire pour fabriquer les nanoparticules de silicium et nos partenaires à Milan avaient une expertise dans la fabrication des concentrateurs luminescents. Quand tout a été réuni, nous savions que nous avions quelque chose de spécial.
Le financement de cette étude de recherche comprend une subvention du Centre des sciences de base pour la photophysique solaire avancée du Département de l'énergie (DOE), un centre de recherche sur la frontière énergétique et une subvention du septième programme-cadre de la Communauté européenne. Ehrenberg a également reçu un financement d'une bourse de la National Science Foundation (NSF) et du Benjamin Y.H. et Helen Liu Fellowship.
Source: ScienceDaily, 2017

In our lab, we 'trick' nature by shirking the dimension of silicon crystals to a few nanometers, that is about one ten-thousandths of the diameter of human hair," said University of Minnesota mechanical engineering professor Uwe Kortshagen, inventor of the process for creating silicon nanoparticles and one of the senior authors of the study. "At this size, silicon's properties change and it becomes an efficient light emitter, with the important property not to re-absorb its own luminescence. This is the key feature that makes silicon nanoparticles ideally suited for LSC applications."

"Over the last few years, the LSC technology has experienced rapid acceleration, thanks also to pioneering studies conducted in Italy, but finding suitable materials for harvesting and concentrating solar light was still an open challenge," said Sergio Brovelli, physics professor at the University of Milano-Bicocca, co-author of the study, and co-founder of the spin-off company Glass to Power that is industrializing LSCs for photovoltaic windows "Now, it is possible to replace these elements with silicon nanoparticles."
The University of Minnesota invented the process for creating silicon nanoparticles about a dozen years ago and holds a number of patents on this technology. In 2015, Kortshagen met Brovelli, who is an expert in LSC fabrication and had already demonstrated various successful approaches to efficient LSCs based on other nanoparticle systems. The potential of silicon nanoparticles for this technology was immediately clear and the partnership was born. The University of Minnesota produced the particles and researchers in Italy fabricated the LSCs by embedding them in polymers through an industrial based method, and it worked.
"This was truly a partnership where we gathered the best researchers in their fields to make an old idea truly successful," Kortshagen said. "We had the expertise in making the silicon nanoparticles and our partners in Milano had expertise in fabricating the luminescent concentrators. When it all came together, we knew we had something special."
Funding for the research study includes a grant from the U.S. Department of Energy (DOE) Office of Basic Science Center for Advanced Solar Photophysics, an Energy Frontier Research Center and a grant from the European Community's Seventh Framework Programme. Ehrenberg also received funding from a National Science Foundation (NSF) Fellowship and the Benjamin Y.H. and Helen Liu Fellowship.
Source: ScienceDaily, 2017