Un dispositif thermophotovoltaïque solaire nanophotonique vu du point de vue de la lumière solaire entrante. Les miroirs réfléchissants augmentent l'intensité de la lumière atteignant le réseau absorbant de nanotubes de carbone (au centre), permettant à l'appareil d'atteindre des températures élevées et une efficacité record. Crédit :FELICE FRANKEL
Une nouvelle approche de la récupération de l'énergie solaire, développé par des chercheurs du MIT, pourrait améliorer l'efficacité en utilisant la lumière du soleil pour chauffer un matériau à haute température dont le rayonnement infrarouge serait ensuite capté par une cellule photovoltaïque conventionnelle. Cette technique pourrait également faciliter le stockage de l'énergie pour une utilisation ultérieure, disent les chercheurs.
Dans ce cas, l'ajout de l'étape supplémentaire améliore les performances, car il permet de profiter des longueurs d'onde de la lumière qui sont habituellement gaspillées. Le processus est décrit dans un article publié cette semaine dans la revue Nature Nanotechnologie , écrit par l'étudiant diplômé Andrej Lenert, professeur agrégé de génie mécanique Evelyn Wang, professeur de physique Marin Soljačić, chercheur principal Ivan Celanović, et trois autres.
Une cellule solaire conventionnelle à base de silicium "ne profite pas de tous les photons, " explique Wang. C'est parce que la conversion de l'énergie d'un photon en électricité nécessite que le niveau d'énergie du photon corresponde à celui d'une caractéristique du matériau photovoltaïque (PV) appelée bande interdite. La bande interdite du silicium répond à de nombreuses longueurs d'onde de la lumière, mais il en manque beaucoup d'autres.
Pour remédier à cette limitation, l'équipe a inséré un dispositif absorbeur-émetteur à deux couches, constitué de nouveaux matériaux, notamment des nanotubes de carbone et des cristaux photoniques, entre la lumière du soleil et la cellule photovoltaïque. Ce matériau intermédiaire capte l'énergie d'un large spectre de lumière solaire, chauffe au cours du processus. Quand ça chauffe, comme avec un morceau de fer qui rougit, il émet une lumière d'une longueur d'onde particulière, qui dans ce cas est réglé pour correspondre à la bande interdite de la cellule PV montée à proximité.
Ce concept de base est exploré depuis plusieurs années, car, en théorie, de tels systèmes solaires thermophotovoltaïques (STPV) pourraient fournir un moyen de contourner une limite théorique de l'efficacité de conversion d'énergie des dispositifs photovoltaïques à base de semi-conducteurs. Cette limite, appelée limite de Shockley-Queisser, impose un plafond de 33,7% sur une telle efficacité, mais Wang dit qu'avec les systèmes TPV, « l'efficacité serait considérablement plus élevée – elle pourrait idéalement être supérieure à 80 %. »
Il y a eu de nombreux obstacles pratiques à la réalisation de ce potentiel; les expériences précédentes ont été incapables de produire un dispositif STPV avec une efficacité supérieure à 1 pour cent. Mais Lenert, Wang, et leur équipe ont déjà produit un premier appareil de test avec une efficacité mesurée de 3,2 %, et ils disent qu'avec des travaux supplémentaires, ils s'attendent à être en mesure d'atteindre 20 % d'efficacité – assez, ils disent, pour un produit commercialement viable.
Image optique du dispositif sous vide illustrant les processus de conversion d'énergie dans un dispositif thermophotovoltaïque solaire nanophotonique :la lumière du soleil est convertie en émission thermique utile, et finalement l'énergie électrique, via un absorbeur-émetteur chaud (au centre, orange vif). Crédit :MIT
La conception du matériau absorbant-émetteur à deux couches est la clé de cette amélioration. Sa couche externe, face au soleil, est un réseau de nanotubes de carbone multiparois, qui absorbe très efficacement l'énergie de la lumière et la transforme en chaleur. Cette couche est liée étroitement à une couche d'un cristal photonique, qui est conçu avec précision pour que lorsqu'il est chauffé par la couche de nanotubes attachée, il "brille" avec une lumière dont l'intensité maximale est principalement au-dessus de la bande interdite du PV adjacent, en veillant à ce que la majeure partie de l'énergie captée par l'absorbeur soit ensuite transformée en électricité.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé la lumière solaire simulée, et a constaté que son efficacité maximale est survenue lorsque son intensité était équivalente à un système de focalisation qui concentre la lumière du soleil par un facteur de 750. Cette lumière a chauffé l'absorbeur-émetteur à une température de 962 degrés Celsius.
Ce niveau de concentration est déjà bien inférieur à celui des tentatives précédentes de systèmes STPV, qui concentrait la lumière du soleil par un facteur de plusieurs milliers. Mais les chercheurs du MIT disent qu'après une optimisation supplémentaire, il devrait être possible d'obtenir le même type d'amélioration à des concentrations d'ensoleillement encore plus faibles, rendre les systèmes plus faciles à utiliser.
Un tel système, l'équipe dit, combine les avantages des systèmes solaires photovoltaïques, qui transforment la lumière du soleil directement en électricité, et les systèmes solaires thermiques, ce qui peut avoir un avantage pour une utilisation différée car la chaleur peut être plus facilement stockée que l'électricité. Les nouveaux systèmes solaires thermophotovoltaïques, ils disent, pourraient fournir une efficacité en raison de leur absorption à large bande de la lumière du soleil; évolutivité et compacité, parce qu'ils sont basés sur la technologie de fabrication de puces existante ; et la facilité de stockage de l'énergie, en raison de leur dépendance à la chaleur.
Certaines des façons d'améliorer encore le système sont assez simples. Depuis l'étage intermédiaire du système, l'absorbeur-émetteur, repose sur des températures élevées, sa taille est cruciale :plus un objet est gros, moins il a de surface par rapport à son volume, les pertes de chaleur diminuent donc rapidement avec l'augmentation de la taille. Les premiers tests ont été effectués sur une puce de 1 centimètre, mais les tests de suivi seront effectués avec une puce de 10 centimètres, ils disent.
