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Le cristal photonique, pour des mobiles à l'énergie solaire

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Les cristaux photoniques, pour l'instant cantonnés au laboratoire, ont de passionnantes applications. L'une d'elles est de convertir de la chaleur en électricité avec une bonne efficacité. Mais ces structures périodiques taillées à l'échelle des nanomètres sont difficiles à réaliser. Une équipe de chercheurs du MIT vient de présenter un procédé de fabrication plus simple. De quoi rêver à des appareils mobiles à l'autonomie décuplée.

L’opale est un cristal photonique naturel. Pour leurs expérimentations, les chercheurs du MIT ont utilisé les mêmes principes, mais adaptés à l'infrarouge. © Wikipédia

Aujourd'hui, selon Apple, un iPhone 4S est doté d'une autonomie de 7 heures de communication en 3G. Avec la découverte que viennent de réaliser des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), elle pourrait être multipliée par dix.

Pour y parvenir, à la place des batteries actuelles, les appareils électroniques portatifs pourraient bien être alimentés par de minuscules génératrices d'électricité. Ces petites centrales portatives pourraient exploiter la chaleur du soleil ou même celle chimiquement générée par des microréacteurs fonctionnant à partir d'un combustible, le butane par exemple.

Et si ce n'est pas pour demain, c'est peut-être pour après-demain. Ainsi, selon Ivan Celanovic, l'un des chercheurs du MIT menant ces travaux, « des produits basés sur cette technologie pourraient éventuellement voir le jour d'ici deux ans, et très probablement dans les cinq années à venir ».

Vue en microscopie électronique à balayage du cristal photonique 2D, structure périodique façonnée dans du tungstène. © Y.X. Yeng et al.

Le cristal photonique, le futur des panneaux photovoltaïques ?

Les scientifiques du MIT, qui ont publié leurs résultats dans les Pnas, ont fait appel aux cristaux photoniques, ces structures métalliques finement gravées de motifs périodiques qui agissent sur les ondes électromagnétiques (les photons, donc) à la manière dont les semi-conducteurs agissent sur les électrons. Les dimensions des structures déterminent la gamme de longueurs d'onde affectées par le cristal.

Ces cristaux fonctionnent à haute température (environ 700 °C) et peuvent par exemple servir à émettre un rayonnement sur une fine gamme de longueurs d'onde. Ils peuvent aussi, à l'inverse, absorber efficacement un rayonnement dans une bande précise. Des équivalents naturels existent : les opales, dont les dimensions des structures périodiques correspondent à la longueur d'onde de la lumière visible.

Ces matériaux sont cependant délicats à fabriquer et il est difficile d'obtenir les performances adéquates, surtout en matière de régularité de la structure et de robustesse. Les chercheurs du MIT ont utilisé un tungstène très pur et un procédé de fabrication piloté par ordinateur, aboutissant, affirment-ils, à un cristal photonique d'excellente qualité. Selon eux, une production de masse est envisageable.

Leur cristal est creusé de cavités minuscules, de 0,75 micron de diamètre et 3 microns de profondeur. Ces dimensions correspondent aux longueurs d'onde de l'infrarouge, et le matériau peut efficacement capter l'énergie thermique reçue sous cette forme. Une des applications de ce matériau est une cellule thermophotovoltaïque, c'est-à-dire un capteur photovoltaïque travaillant dans l'infrarouge.

On a là un moyen efficace de transformer directement de la chaleur (sous forme d'infrarouge) en électricité, ce qui intéresse beaucoup de monde. Dont la Nasa, lorsqu'elle veut alimenter un robot évoluant loin du Soleil. Le rover Curiosity en route vers Mars, par exemple, n'utilise pas de panneaux solaires, comme Spirit et Opportunity, mais un générateur à isotopes (RTG). Selon les chercheurs, un tel principe, avec un minigénérateur de chaleur, pourrait très bien, un jour, alimenter un téléphone...

Ce travail est d'ailleurs à rapprocher d'un autre, du MIT également, mené par Peter Bremel, qui a créé une telle cellule avec un cristal photonique en tungstène installé devant une cellule photovoltaïque en arséniure de gallium-indium (InGaAs), un semi-conducteur utilisé dans l'électronique. Le résultat est une cellule qui, lorsqu'elle est bien dirigée vers le soleil, produit de l'électricité avec un rendement de 37 %, supérieur à celui des cellules photovoltaïques (moins de 30 % au laboratoire et moins encore pour les produits commercialisés).

Pour le moment, si elles sont en cours d'expérimentation, ces technologies pourraient bien être commercialisées dans les années à venir. De quoi changer fortement l'usage des appareils sans fil.

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