Intensifier le soleil

Dans son laboratoire sombre du MIT, Marc Baldo fait briller une lampe ultraviolette sur un carré de verre de 10 centimètres. Il a enduit les surfaces du verre de colorants qui brillent légèrement en orange sous la lumière. Pourtant, les bords non revêtus du verre brillent plus intensément – ​​quatre fines bandes nettes d'orange luminescent.

Marc Baldo pose avec une collection de feuilles de verre enduites de colorants organiques électroluminescents. Les colorants absorbent la lumière et la reëmettent dans le verre, qui la canalise vers les bords des feuilles. Baldo utilise les appareils pour concentrer la lumière du soleil, rendant l'énergie solaire moins chère.

La feuille de verre est un nouveau type de concentrateur solaire, un dispositif qui recueille la lumière diffuse et la concentre sur une cellule solaire relativement petite. Les cellules solaires, des dispositifs électroniques multicouches en silicium hautement raffiné, sont chères à fabriquer, et plus elles sont grosses, plus elles coûtent cher. Les concentrateurs solaires peuvent réduire le coût global de l'énergie solaire en permettant d'utiliser des cellules beaucoup plus petites. Mais les concentrateurs sont généralement constitués de miroirs ou de lentilles incurvés, qui sont encombrants et nécessitent des systèmes mécaniques coûteux qui les aident à suivre le soleil.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2008

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Contrairement aux miroirs et aux lentilles des concentrateurs solaires conventionnels, les feuilles de verre de Baldo agissent comme des guides d'ondes, canalisant la lumière de la même manière que les câbles à fibres optiques transmettent des signaux optiques sur de longues distances. Les colorants recouvrant les surfaces du verre absorbent la lumière du soleil ; différents colorants peuvent être utilisés pour absorber différentes longueurs d'onde de lumière. Ensuite, les colorants reëmettent la lumière dans le verre, qui la canalise vers les bords. Des bandes de cellules solaires fixées sur les bords absorbent la lumière et génèrent de l'électricité. Plus la surface du verre est grande par rapport à l'épaisseur des bords, plus la lumière est concentrée et, jusqu'à un certain point, moins la consommation d'énergie est élevée.

Baldo, professeur agrégé de génie électrique, a récemment publié ses découvertes dans La science . Sur cette base, il projette que ses concentrateurs solaires pourraient être suffisamment gros pour que l'électricité qu'ils contribuent à produire rivaliser avec l'électricité produite à partir de combustibles fossiles. En effet, dit Baldo, les panneaux équipés des concentrateurs pourraient être la technologie solaire la moins chère.

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Ingrédient secret
Le processus de fabrication des concentrateurs solaires de Baldo commence au bout du couloir dans un autre laboratoire. Un chercheur postdoctoral, Shalom Goffri, prend plusieurs bouteilles remplies de poudres colorantes colorées d'une armoire et mesure les poudres dans de petites fioles. Certains des colorants ont été développés pour être utilisés dans les peintures automobiles; d'autres ont été utilisés dans les diodes électroluminescentes organiques. Les deux types de colorants peuvent durer des années au soleil, une qualité essentielle pour les concentrateurs solaires. Une fois qu'il a dosé les poudres, Goffri ajoute un solvant à chacune pour faire une encre liquide.

Les étapes suivantes se déroulent à l'intérieur d'une boîte scellée, afin que Goffri n'inhale pas les solvants utilisés pour fabriquer le colorant. Il met la main dans la boîte, à l'aide d'épais gants noirs montés sur sa façade en verre, et mélange soigneusement différentes encres. Déterminer la bonne combinaison d'encres a résolu un problème fondamental que les chercheurs ont rencontré avec ce type de concentrateur solaire. Si la feuille de verre est recouverte d'un colorant qui absorbe la lumière du soleil dans, disons, la gamme vert-bleu du spectre solaire et émet de la lumière de la même longueur d'onde, la lumière émise sera rapidement réabsorbée par le colorant, et peu de celle-ci atteindra jamais le bord du verre. Le problème a limité la taille de ces concentrateurs solaires, car plus la lumière doit parcourir les bords, moins la lumière la fera.

En utilisant certaines combinaisons de colorants entrecoupées d'autres molécules absorbant la lumière, Baldo fabrique des revêtements qui absorbent une couleur mais en émettent une autre. La lumière émise n'est pas rapidement réabsorbée par les revêtements, donc une plus grande partie atteint les bords de la feuille de verre.

Les revêtements fabriqués par Goffri absorbent les ultraviolets par la lumière verte et émettent de la lumière orange. Une fois que Goffri a préparé le mélange final, il en verse une petite quantité sur un carré de verre de 10 centimètres de large, le plus grand pouvant tenir à l'intérieur d'un appareil qui fait tourner le verre à 2 000 tours par minute pour répartir l'encre uniformément. En une minute ou deux, le solvant s'est évaporé et le processus est terminé. Le concentrateur solaire, avec son revêtement de teinture orange, est terminé.

Le Prototype
Pour produire de l'électricité, Goffri connecte le concentrateur solaire à des cellules solaires. Il fabrique ce qu'on appelle un module solaire en tandem, un type de panneau solaire qui utilise deux types différents de cellules pour capter plus d'énergie de la lumière du soleil qu'un seul type ne pourrait le faire. Différentes longueurs d'onde de la lumière du soleil ont différentes quantités d'énergie; la lumière ultraviolette en a le plus et l'infrarouge le moins. Les cellules solaires sont optimisées pour des couleurs particulières. Un conçu pour convertir la lumière infrarouge en électricité, par exemple, convertira la majeure partie de l'énergie de la lumière bleue en chaleur résiduelle. De même, la lumière rouge traversera une cellule solaire optimisée pour la lumière bleue à haute énergie sans être absorbée. Idéalement, des cellules solaires pour différentes longueurs d'onde seraient utilisées en combinaison pour collecter le plus de lumière solaire, mais cette approche est souvent trop coûteuse pour être pratique.

Les concentrateurs de Baldo offrent un moyen peu coûteux de combiner des cellules solaires optimisées pour différentes longueurs d'onde de lumière : différents revêtements colorés peuvent être associés à différents types de cellules solaires dans le même appareil. Pour fabriquer un prototype, Goffri prend un type de cellule solaire bien adapté aux couleurs à haute énergie et le colle à l'intérieur d'un cadre en plastique ; puis il glisse le concentrateur dans le cadre de façon à ce que ses bords s'alignent avec les alvéoles. Le concentrateur capte la lumière ultraviolette, bleue et verte et émet une lumière orange que les cellules convertissent en électricité. La lumière à plus faible énergie, de l'extrémité rouge et infrarouge du spectre, passe à travers le concentrateur solaire jusqu'à la couche suivante. Dans le prototype, la couche suivante est une cellule solaire en silicium conventionnelle de taille normale qui n'est pas associée à un concentrateur solaire.

Le prototype, selon Baldo, peut convertir presque deux fois plus d'énergie solaire en électricité qu'une cellule conventionnelle, à condition que le concentrateur mesure environ 30 centimètres carrés. Cela se traduit par une baisse de 30 % du coût de l'électricité solaire.

À l'avenir, les économies de coûts peuvent être beaucoup plus importantes, estime Baldo. Il n'utilise pas de concentrateur pour la lumière infrarouge car, jusqu'à présent, il n'existe pas de bons colorants pour capturer ces longueurs d'onde. Mais il est convaincu que de tels colorants peuvent être développés. Lorsque cela se produira, il pourra ajouter un deuxième concentrateur, pour peu de frais supplémentaires, et remplacer la cellule solaire au silicium pleine grandeur par des cellules plus petites et moins chères fixées sur les bords des concentrateurs. Si le coût du photovoltaïque baisse au cours des prochaines années, comme prévu, cette configuration pourrait rendre l'énergie solaire à peu près aussi bon marché que l'électricité à partir du charbon, dit-il.

Il y a plus de travail à faire en laboratoire, comme l'amélioration de la gamme de couleurs que les concentrateurs peuvent absorber, ce qui permettra de les adapter à des tranches spécifiques du spectre. Mais Baldo dit qu'il est temps de commencer à déplacer la technologie du laboratoire vers le marché. Lui et ses collègues ont fondé une société appelée Covalent Solar, qui commence à lever des fonds. La société, basée à Cambridge, MA, prévoit de commercialiser ses premiers produits, probablement des modules solaires en tandem, d'ici trois ans.

Kevin Bullis est Examen de la technologie éditeur de l'énergie.

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