Les chercheurs de l'UC Berkeley viennent de battre un nouveau record d'efficacité photovoltaïque, une réalisation qui pourrait conduire à un moteur ultraléger pouvant propulser des drones pendant des jours.

Depuis 15 ans, l'efficacité de la conversion de la chaleur en électricité avec la thermovoltaïque a été bloquée à 23 pour cent. Mais un aperçu physique révolutionnaire a permis aux chercheurs d'augmenter cette efficacité à 29 %. En utilisant un nouveau design, les chercheurs visent maintenant à atteindre 50 pour cent d'efficacité dans un proche avenir en appliquant des concepts scientifiques bien établis.

Cette percée a de grandes implications pour les technologies qui reposent actuellement sur des batteries lourdes pour l'alimentation. La thermophotovoltaïque est une source d'énergie alternative ultralégère qui pourrait permettre aux drones et autres véhicules aériens sans pilote de fonctionner en continu pendant des jours. Il pourrait également être utilisé pour alimenter des sondes spatiales lointaines pendant des siècles et éventuellement une maison entière avec un générateur de la taille d'une enveloppe.

Leur travail a été décrit dans un article publié cette semaine dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Les thermophotovoltaïques sont compacts et extrêmement efficaces pour une large gamme d'applications, de ceux qui nécessitent aussi peu que 100 watts, [comme] un véhicule aérien sans pilote léger, à 100 mégawatts, [fournir] l'électricité pour 36, 000 foyers. En comparaison, une centrale à cycle combiné de 100 mégawatts, c'est énorme, " dit Eli Yablonovitch, professeur de génie électrique et informatique (EECS) et auteur correspondant de l'article.

Selon Yablonovitch, cette découverte s'appuie sur des travaux que lui et des étudiants ont publiés en 2011, qui a découvert que la clé pour augmenter l'efficacité des cellules solaires n'était pas d'absorber plus de photons (lumière) mais de les émettre. En ajoutant un miroir hautement réfléchissant au dos d'une cellule photovoltaïque, ils ont battu des records d'efficacité à l'époque et ont continué à le faire avec des recherches ultérieures.

Ruban de graphite (barre incandescente) chauffant la cellule thermophotovoltaïque située en dessous. (Photo de Luis M. Pazos Outόn, UC Berkeley)

"Ce que le miroir fait, c'est créer un gaz photonique luminescent infrarouge dense dans la cellule solaire, un phénomène qui ajoute de la tension, " dit Yablonovitch.

Récemment, son équipe a reconnu que ce miroir pouvait remplir une double fonction. En réalité, il résout l'un des plus grands défis de la thermophotovoltaïque :comment exploiter les photons thermiques (chaleur) qui ont trop peu d'énergie pour produire de l'électricité. Il s'avère que le miroir peut réfléchir ces petits photons pour réchauffer la source thermique, offrant une seconde chance pour qu'un photon de haute énergie soit créé et génère de l'électricité. Ce phénomène conduit à une efficacité sans précédent.

"Nous avons atteint ce résultat record même si nous n'utilisons qu'un simple miroir en or. Maintenant, nous allons ajouter une couche diélectrique au-dessus de l'or, et cela améliorera notre efficacité à 36%, " a déclaré Luis M. Pazos Outόn, un chercheur postdoctoral à EECS et l'un des principaux auteurs de l'article.

« En augmentant simplement la réflectivité, nous obtiendrons 36% d'efficacité. Mais en apportant d'autres modifications à la cellule, en utilisant des techniques éprouvées dans la littérature scientifique, nous savons que nous pouvons atteindre 50 % d'efficacité, " dit Zunaid Omair, un étudiant chercheur diplômé en EECS et premier auteur de l'article. "Avant notre résultat, l'efficacité thermophotovoltaïque était au point mort à 23 pour cent depuis longtemps, donc passer de 23 à 29% est vraiment un gros problème."