Les chercheurs ont montré comment modifier des plaquettes de silicium disponibles dans le commerce en une structure qui absorbe efficacement l'énergie solaire et résiste aux températures élevées nécessaires aux centrales à « énergie solaire concentrée » pouvant fonctionner jusqu'à 24 heures par jour.

La recherche fait avancer les efforts mondiaux pour concevoir des systèmes hybrides qui combinent des cellules photovoltaïques solaires, qui convertissent la lumière visible et ultraviolette en électricité, appareils thermoélectriques qui convertissent la chaleur en électricité, et des turbines à vapeur pour produire de l'électricité. Les dispositifs thermoélectriques et les turbines à vapeur seraient entraînés par la chaleur collectée et stockée à l'aide de miroirs pour concentrer la lumière du soleil sur un "absorbeur et réflecteur solaire sélectif".

Pour récupérer efficacement la chaleur du soleil, des surfaces spécialement conçues à base de matériaux à faible coût sont nécessaires pour absorber de manière sélective uniquement les photons d'une certaine plage du spectre lumineux tout en réfléchissant les autres.

"Le point clé est que pour capter la lumière du soleil aussi efficacement que possible, vous devez faire deux choses qui se concurrencent :l'une est d'absorber autant d'énergie solaire que possible, mais deuxièmement, ne pas re-rayonner ce pouvoir, " dit Pierre Bermel, professeur adjoint à l'École de génie électrique et informatique de l'Université Purdue. "Si vous faites quelque chose de vraiment chaud, il commence à briller en rouge, et nous essayons d'empêcher cette réémission de se produire tout en absorbant la lumière du soleil."

Il a dirigé une équipe de recherche qui a démontré comment modifier une plaquette de silicium pour résister à des températures approchant 535 degrés Celsius sans perdre en stabilité ou en performances.

"Dans cette étude, nous utilisons des plaquettes de silicium du commerce comme plate-forme pour concevoir, fabriquer, et caractériser une structure capable d'absorber beaucoup de lumière solaire, sans re-rayonner autant de chaleur, " dit-il. " Nous ajoutons une couche en haut et en bas pour lui donner une plus grande capacité d'absorption de la lumière du soleil, tout en réfléchissant des longueurs d'onde plus longues."

Les résultats sont détaillés dans un article paru en ligne le 3 avril dans la revue Lettres de physique appliquée .

"Ce travail montre qu'une conversion d'énergie solaire thermique très efficace peut être réalisée avec des structures très simples et des matériaux courants, ", a déclaré l'étudiant diplômé Zhiguang Zhou. "C'est une étape clé vers de vraies applications, et nous espérons qu'il inspirera plus d'efforts sur cette voie."

Le dispositif solaire au silicium contient une couche supérieure d'un revêtement antireflet en nitrure de silicium et une couche réfléchissante arrière en argent.

''Nous avons démontré expérimentalement l'absorbeur solaire sélectif, montrant une grande efficacité à haute température, " a déclaré l'étudiant diplômé Hao Tian. " La structure est facile à fabriquer et stable à des températures élevées pertinentes pour les applications d'énergie solaire concentrée. "

Pour compliquer la recherche, les propriétés du matériau changent considérablement en passant de la température ambiante à environ 500 degrés Celsius. Prolonger les travaux antérieurs des chercheurs dans le domaine, l'équipe a développé un modèle détaillé qui simule la façon dont les propriétés du matériau changent avec l'augmentation de la température. Le modèle a aidé les chercheurs à concevoir la structure construite à partir de plaquettes de silicium, et a conduit à la découverte qu'un absorbeur sélectif constitué de films minces de silicium peut présenter des performances encore plus élevées.

À la fois, la flexibilité des couches minces offre des avantages potentiels, car ils peuvent être appliqués à des structures courbes telles que les "cuvettes paraboliques" en miroir utilisées pour les systèmes d'énergie solaire à concentration. Les creux suivent le soleil toute la journée, concentrant l'énergie du soleil d'environ 50 fois.

"Non seulement ces films minces semblent avoir de meilleures performances, mais ils sont très flexibles, afin que vous puissiez enduire n'importe quelle surface, ", a déclaré Bermel.

Idéalement, le système d'énergie solaire hybride pourrait atteindre des rendements de plus de 50 %, contre 31 % pour les cellules photovoltaïques seules. Les chercheurs ont estimé qu'avec une concentration de 50 soleils produite avec les creux paraboliques, il est possible de convertir 51,5% de la lumière solaire en utilisable, chaleur de haute qualité à 490 degrés Celsius.

L'article Applied Physics Letters a été rédigé par Tian et Zhou; étudiant de premier cycle Tianran Liu; l'étudiante diplômée Cindy Karina de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Suisse; Urcan Guler, associé de recherche postdoctoral Purdue; Vladimir Chalaev, le professeur distingué Bob et Anne Burnett en génie électrique et informatique; et Bermel.

"Ces résultats complètent nos travaux antérieurs dans la conception de systèmes solaires hybrides et représentent l'un des composants expérimentaux clés d'un système d'énergie solaire avec stockage intégré pour la production d'énergie solaire 24 heures sur 24, ", a déclaré Bermel.

Les recherches futures comprendront des travaux pour étudier l'approche flexible basée sur des couches minces. L'objectif à long terme est d'intégrer tous les composants dans un système fonctionnel pour une production continue d'électricité. De tels systèmes pourraient trouver des applications à la fois pour la production d'électricité à grande échelle et pour les petits systèmes résidentiels.