Comment exploiter l'énergie du soleil à travers la chaleur ainsi que la lumière

Une nouvelle approche de la récupération de l'énergie solaire, développée 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 collecté par une cellule photovoltaïque conventionnelle. Cette technique pourrait également faciliter le stockage de l'énergie pour une utilisation ultérieure, selon les chercheurs.

Un dispositif thermophotovoltaïque solaire nanophotonique composé d'un réseau de nanotubes de carbone à parois multiples en tant qu'absorbeur, d'un cristal photonique unidimensionnel de silicium/dioxyde de silicium en tant qu'émetteur et d'une cellule photovoltaïque de 0,55 eV. Photo avec l'aimable autorisation de John Freidah.

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 généralement perdues. Le processus est décrit dans un article publié cette semaine dans la revue Nature Nanotechnologie , écrit par l'étudiant diplômé Andrej Lenert, le professeur agrégé de génie mécanique Evelyn Wang, le professeur de physique Marin Soljačić, le chercheur principal Ivan Celanović et trois autres.

Une cellule solaire conventionnelle à base de silicium ne tire pas parti de tous les photons, explique Wang. En effet, pour convertir l'énergie d'un photon en électricité, il faut 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 en manque beaucoup d'autres.

Pour remédier à cette limitation, l'équipe a inséré un dispositif absorbeur-émetteur à deux couches - composé 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, se réchauffant au cours du processus. Lorsqu'il chauffe, comme avec un morceau de fer qui brille au rouge, il émet une lumière d'une longueur d'onde particulière, qui dans ce cas est réglée pour correspondre à la bande interdite de la cellule photovoltaïque 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 sur l'efficacité de conversion d'énergie des dispositifs photovoltaïques à base de semi-conducteurs. Cette limite, appelée limite 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 dispositif de test initial avec une efficacité mesurée de 3,2%, et ils disent qu'avec des travaux supplémentaires, ils s'attendent à pouvoir atteindre 20% d'efficacité - assez, disent-ils, pour un produit commercialement viable. .

La conception du matériau absorbant-émetteur à deux couches est la clé de cette amélioration. Sa couche externe, face à la lumière du 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 étroitement liée à une couche de cristal photonique, qui est conçue avec précision pour que lorsqu'elle est chauffée par la couche de nanotubes attachée, elle brille d'une lumière dont l'intensité maximale est principalement au-dessus de la bande interdite du PV adjacent, garantissant que la plupart de l'énergie captée par l'absorbeur est alors transformée en électricité.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé la lumière solaire simulée et ont découvert que son efficacité maximale survenait lorsque son intensité était équivalente à un système de focalisation qui concentre la lumière solaire 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 concentraient la lumière solaire par un facteur de plusieurs milliers. Mais les chercheurs du MIT affirment qu'après une optimisation supplémentaire, il devrait être possible d'obtenir le même type d'amélioration à des concentrations de lumière solaire encore plus faibles, ce qui rend les systèmes plus faciles à utiliser.

Un tel système, selon l'équipe, combine les avantages des systèmes solaires photovoltaïques, qui transforment la lumière du soleil directement en électricité, et des systèmes solaires thermiques, qui peuvent présenter un avantage pour une utilisation différée car la chaleur peut être plus facilement stockée que l'électricité. Les nouveaux systèmes solaires thermophotovoltaïques, disent-ils, pourraient être efficaces en raison de leur absorption à large bande de la lumière du soleil ; l'évolutivité et la compacité, car elles sont basées 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. Puisque l'étage intermédiaire du système, l'absorbeur-émetteur, repose sur des températures élevées, sa taille est cruciale : plus un objet est grand, moins il a de surface par rapport à son volume, donc les pertes de chaleur diminuent rapidement avec l'augmentation de la taille. Les tests initiaux ont été effectués sur une puce de 1 centimètre, mais les tests de suivi seront effectués avec une puce de 10 centimètres, disent-ils.

Zhuomin Zhang, professeur de génie mécanique au Georgia Institute of Technology qui n'a pas été impliqué dans cette recherche, a déclaré : Ce travail est une percée dans le domaine de la thermophotovoltaïque solaire, qui peut en principe atteindre une efficacité supérieure à celle des cellules solaires conventionnelles, car le STPV peut tirer parti de tout le spectre solaire. … Cette réalisation ouvre la voie à une augmentation rapide de l'efficacité du STPV.

L'équipe de recherche comprenait également les étudiants diplômés du MIT David Bierman et Walker Chan, l'ancien postdoctorant Youngsuk Nam et le chercheur Ivan Celanović. Le travail a été financé par le département américain de l'Énergie par le biais du Centre de conversion d'énergie solaire thermique à semi-conducteurs (S3TEC) du MIT, ainsi que par la Martin Family Society, la MIT Energy Initiative et la National Science Foundation.

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