Photovoltaïque : exploiter tout le spectre solaire, c'est possible !Les cellules photovoltaïques ne tirent profit que d’une partie de l’énergie du rayonnement solaire. La situation pourrait bientôt évoluer grâce aux travaux d’une équipe du MIT. Ses chercheurs ont imaginé un système où la lumière est d’abord convertie en chaleur, puis en rayonnement infrarouge. L’astuce : le rayonnement réémis excite un plus grand nombre d’électrons dans le semi-conducteur.[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]Au centre du carré blanc se trouve l’équipement nanostructuré qui a été développé au MIT pour absorber toute l’énergie du spectre solaire, afin de la convertir en chaleur puis en rayonnement infrarouge. Le récepteur se compose de nanotubes de carbone, tandis que l’émetteur intègre des cristaux photoniques omnidirectionnels Si/SiO2. En dessous se trouve une cellule photovoltaïque au silicium.Dans le monde, la majorité des
installations photovoltaïques est équipée de modules solaires qui exploitent les propriétés semi-conductrices du silicium. Leur rendement commercial se situe actuellement entre 13 et 21 %, mais les spécialistes estiment qu’il peut être amélioré. Des recherches sont donc menées en ce sens, mais en gardant un détail crucial à l’esprit : il ne pourra théoriquement jamais dépasser 33,7 % dans les technologies n’utilisant qu’une seule jonction p-n (limite de Shockley-Queisser). Cette contrainte est entre autres imposée par les propriétés intrinsèques du
semi-conducteur, et par la nature même du
rayonnement solaire. En effet, les
cellules au silicium ne tirent pas profit de l’ensemble des
photons qui leur parviennent. En cause : ils n’ont pas tous l’énergie requise pour exciter des
électrons et ainsi les forcer à quitter leur bande de
valence. Forts de ce constat, des chercheurs du
Massachusetts Institute of Technology (
MIT,
États-Unis) ont imaginé, conçu puis testé un dispositif pouvant combler cette lacune, sans intervenir sur la cellule qu’il recouvre. Selon
Evelyn Wang, il pourrait repousser la limite théorique idéalement jusqu’à
« plus de 80 % ». Leur découverte repose sur la technologie du
thermovoltaïque solaire (
STPV, pour
Solar Thermophotovoltaic). Le dispositif en question s’insère entre la source lumineuse et la cellule, et se compose de deux couches. La première capte l’intégralité du
rayonnement solaire. En réponse, la seconde produit un nouveau rayonnement mieux exploité par les unités photovoltaïques au silicium. Entre les deux, il y a une astuce…
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]Dans cette image, l’absorbeur-émetteur imaginé au MIT est en plein fonctionnement. Il s’agit de la structure orange qui brille au centre de l’image, au-dessus de la cellule photovoltaïque. Notons que les tests ont été réalisés dans un environnement sous vide.Un mix entre photovoltaïque et thermique solaireDe forme carrée, le dispositif testé faisait 1 cm de côté. Il se compose sur sa face supérieure d’une couche de
nanotubes de carbone qui ont la capacité d’absorber l’énergie de l’ensemble du
spectre lumineux, ce qui provoque en retour un échauffement, donc la production de chaleur. Or, celle-ci est ensuite transmise à la deuxième couche qui intègre des cristaux photoniques de type Si/SiO
2. En réponse à leur montée en température, ces nanostructures émettent alors un rayonnement
infrarouge dont le pic d’intensité correspond à celui qui fait fonctionner au mieux les
cellules photovoltaïques (leur niveau d’énergie est optimal pour exciter des électrons).
Certes, le procédé reste expérimental, comme en témoigne le faible rendement obtenu en laboratoire, soit 3,2 % (avec des
nanotubes de carbone chauffés à 942 °C grâce à une concentration de la
lumière solaire artificielle). Cependant, les scientifiques estiment qu’ils pourraient rapidement lui faire atteindre des valeurs proches de 20 %, ce qui est un minimum en vue d’une commercialisation, avant de repousser les limites encore plus loin par la suite.
Cette technologie
STPV présente d’autres avantages par rapport à ses concurrents, comme les cellules à concentrations. Par exemple, le spectre solaire est en premier lieu utilisé pour
produire de la chaleur. Or, elle se stocke plus facilement que l’électricité générée par les
cellules photovoltaïques. De plus, l’invention présentée dans la revue
Nature Nanotechnology est compacte, tout en restant facilement adaptable en taille. Enfin, les outils requis pour construire les dispositifs nanostructurés sont déjà exploités par des industriels, notamment par ceux qui produisent des puces électroniques. Attendons donc de voir la suite qui sera donnée à cette avancée que certains qualifient déjà de considérable.
Source : [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]