Quand l’efficacité théorique de la cellule solaire passe à 80%
Des scientifiques ont conçu un émetteur thermique ultra-résistant à la chaleur qui pourrait améliorer considérablement l’efficacité des cellules solaires.
Ce composant inédit va dans un premier temps convertir la chaleur du soleil en lumière infrarouge qui sera ensuite absorbée par les cellules solaires afin de produire de l’électricité – une technologie connue sous le nom de thermophotovoltaïque.
Contrairement aux prototypes précédents qui se sont effondrés à des températures inférieures à 1.200°C, le nouvel émetteur thermique reste stable à des températures aussi élevées que 1.400°C.
“Il s’agit d’une performance record en termes de stabilité thermique et une avancée majeure dans le domaine du thermophotovoltaïque“, a déclaré Shanhui Fan, professeur de génie électrique à l’Université de Stanford. Des chercheurs de l’Université de l’Illinois-Urbana Champaign (Illinois) et de l’Université d’État de Caroline du Nord ont collaboré sur le projet. Leurs résultats ont été publiés dans l’édition du 16 octobre de la revue “Nature Communications“.
Une cellule solaire typique comprend un semi-conducteur en silicium qui absorbe la lumière solaire directe et la convertit en énergie électrique. Les semi-conducteurs en silicium ne réagissent cependant pas à la lumière infrarouge. Les ondes lumineuses à haute énergie, incluant la plupart du spectre de la lumière visible, sont gaspillées sous forme de chaleur, alors que les ondes de plus basse énergie traversent simplement le panneau solaire.
“En théorie, les cellules solaires conventionnelles mono-jonction peuvent atteindre seulement un niveau d’efficacité d’environ 34%, mais en pratique elles n’y arrivent pas“, a déclaré Paul Braun, professeur de science des matériaux à l’Illinois et co-auteur de l’étude. “C’est parce qu’elles gaspillent la majeure partie de l’énergie du soleil.“
[ Ici, le tungstène non protégé se dégrade après chauffage à 1.200°C ]
Les dispositifs thermophotovoltaïques sont conçus pour surmonter cette limitation. Au lieu d’envoyer directement le rayonnement solaire à la cellule solaire, les systèmes thermophotovoltaïques possèdent un élément intermédiaire composé de 2 parties : “un absorbeur qui chauffe lorsqu’il est exposéà la lumière solaire, ainsi qu’un émetteur convertisseur de chaleur en lumière infrarouge.”
“Fondamentalement, nous adaptons la lumière à des longueurs d’onde plus courtes, un moyen idéal pour la transporter vers une cellule solaire“, a déclaré le Pr. Fan. “Cela fait augmenter l’efficacité théorique de la cellule à 80%, ce qui est tout à fait remarquable.”
[ Ici, le tungstène recouvert de céramique conserve son intégrité structurelle même après avoir été soumis à 1.400°C chaleur pendant une heure ]
Jusqu’à présent, les systèmes thermophotovoltaïques ont seulement atteint un niveau d’efficacité d’environ 8%, a précisé Paul Braun. La mauvaise performance est due en grande partie à des problèmes liés au composant intermédiaire, qui est généralement fait de tungstène – un matériau abondant également utilisé dans les ampoules classiques.
“Nos émetteurs thermiques ont une nanostructure complexe, en trois dimensions, qui doit résister à des températures supérieures à 1.000°C pour être viable“, a ajouté le Pr. Braun. “En fait, plus c’est chaud, et mieux c’est.”
Dans des expériences passées, la structure 3D de l’émetteur avait toutefois été détruite à des températures de l’ordre 1.000°C. Pour résoudre le problème, les scientifiques ont enrobé les émetteurs de tungstène d’une nanocouche faite d’un matériau céramique appelé dioxyde de hafnium.
Les résultats ont été spectaculaires. Lorsqu’ils sont soumis à des températures de 1.000°C, les émetteurs ont conservé leur intégrité structurelle pendant plus de 12 heures. Lorsqu’ils sont chauffés à 1.400°C, les échantillons sont restés stables thermiquement pendant au moins une heure.
“Ces résultats sont inédits“, a déclaré Kevin Arpin, auteur principal de l’étude. “Nous avons démontré pour la première fois que les céramiques pourraient aider le thermophotovoltaïque ainsi que d’autres domaines de recherche, comme la récupération de l’énergie à partir de la chaleur résiduelle, la catalyse à haute température et le stockage électrochimique de l’énergie.”
Paul Braun et Shanhui Fan veulent maintenant tester d’autres matériaux de ce type et déterminer expérimentalement si les émetteurs thermiques peuvent fournir de la lumière infrarouge à une cellule solaire en fonctionnement.
“Nous avons démontré que l’adaptation des propriétés optiques à hautes températures était possible“, a déclaré le Pr. Braun. “l’Hafnium et le Tungstène sont des matériaux abondants et peu coûteux. Le procédé utilisé pour fabriquer ces émetteurs résistants à la chaleur est bien établi. Espérons que ces résultats vont motiver la communauté des thermophotovoltaïques à porter un autre regard sur les céramiques et d’autres classes de matériaux qui n’ont pas été examinés.”
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