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Photovoltaïque : exploiter tout le spectre solaire, c'est possible

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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 thermique. L'astuce : le rayonnement réémis excite un plus grand nombre d'électrons dans le semi-conducteur.

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 thermique. 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. © John Freidah

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...

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. © John Freidah

Un mix entre photovoltaïque et thermique solaire

De 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/SiO2. En réponse à leur montée en température, ces nanostructures émettent alors un rayonnement thermique dont le pic d'intensité, en longueurs d'onde, 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.

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