Les « conduits lumineux » augmentent l'efficacité solaire organique

Des chercheurs de Caroline du Nord ont mis au point un moyen de plus que doubler les performances des cellules solaires organiques en ajoutant une couche de fibres optiques verticales qui agissent comme des pièges à lumière solaire.

Forêt de fibres : Ce prototype de panneau solaire est recouvert de fibres optiques. Les photons rebondissent à l'intérieur des fibres avant d'être absorbés, ce qui double l'efficacité du panneau par rapport aux cellules organiques ordinaires.

David Carroll , professeur de physique à l'Université Wake Forest, a dirigé le développement d'un prototype de cellule solaire incorporant les fibres. Il est le scientifique en chef d'une entreprise dérivée appelée FibreCellule qui développe un processus de fabrication bobine à bobine pour produire les cellules. Nous sommes sur le point d'avoir des démonstrateurs fonctionnels qui convaincraient quelqu'un de se lancer dans la production avec cela, a déclaré Carroll .

Les meilleures cellules solaires organiques d'aujourd'hui sont efficaces à près de 8 %, bien que des efforts soient en cours pour développer des chimies organiques qui pousseraient l'efficacité de ces cellules au-dessus de 10 %. Mais Carroll dit que les chimies améliorées ne suffiront pas à elles seules pour rattraper les performances des cellules en silicium. La réponse ne réside pas dans la chimie, mais dans l'architecture de la cellule elle-même, dit-il. Carroll ajoute que le coût en dollars par watt de la fabrication de cellules organiques à base de fibre devrait être à peu près le même que celui des cellules organiques plates. Mais ils peuvent être produits dans une usine coûtant un dixième de celui d'une fonderie de silicium, dit-il. Cela les rendrait beaucoup moins chères à produire que les cellules au silicium.

Le problème avec les cellules plates standard, qu'elles soient constituées d'un matériau organique ou inorganique, est qu'une partie de la lumière du soleil est perdue par réflexion. Pour réduire cet effet, les fabricants de cellules appliquent des revêtements antireflet ou gravent la surface de la cellule pour augmenter l'absorption des photons. L'équipe de Carroll a adopté une approche plus spectaculaire en estampant des fibres optiques sur un substrat polymère qui constitue la base de la cellule.

Les fibres, que Carroll appelle des tuyaux de lumière, dépassent de la surface comme du chaume grossier. Ils sont entourés de fines cellules solaires organiques appliquées à l'aide d'un procédé de revêtement par immersion, et un colorant ou un polymère absorbant la lumière est également pulvérisé sur la cellule. La lumière peut pénétrer dans la pointe d'une fibre à n'importe quel angle. Les photons rebondissent ensuite à l'intérieur de la fibre jusqu'à ce qu'ils soient absorbés par la cellule organique environnante.

Les chercheurs ont testé une cellule en fibre de verre en laboratoire et ont découvert que la fibre augmentait l'absorption de la lumière d'environ la moitié. Carroll dit que les cellules peuvent également produire deux fois plus de wattheures au cours d'une journée que les panneaux plats, car elles peuvent recevoir la lumière sous différents angles. C'est la même chose que de prendre un appareil plat et de le pointer directement vers le soleil toute la journée, dit-il.

Des chercheurs de Georgia Tech expérimentent des cellules solaires organiques à base de fibres similaires. Zhong Lin Wang , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'université, affirme que l'approche présente des avantages majeurs par rapport aux conceptions conventionnelles à cellules plates. Son laboratoire a développé une cellule hybride composée de fibres optiques et d'un fuzz de nanofils en oxyde de zinc qui est cultivé sur les parois extérieures des fibres. Les nanofils, traités avec des colorants absorbant la lumière, sont destinés à fournir une plus grande surface pour capturer la lumière du soleil. Wang dit que cette approche améliore l'efficacité d'un facteur six, bien que son laboratoire n'ait pas encore dépassé un seul brin de fibre. Nous travaillons toujours sur l'intégration de plusieurs fibres [sur une plus grande surface], dit-il.

Carroll a commencé ses recherches en 2004, donnant à Wake University une longueur d'avance sur la voie de la commercialisation. La plupart des appareils actuellement disponibles sont sur des fibres individuelles, dit-il. Carroll affirme également que les techniques de traitement roll-to-roll ne manquent pas sur le marché qui pourraient fabriquer des substrats recouverts de fibres optiques. Nous emprunterons à ceux-ci ; ce n'est pas difficile à faire, dit-il. La sensibilité à l'épaisseur du film et à la qualité des revêtements est bien inférieure à ce que nous avions prévu, ce qui signifie que les itinéraires de fabrication sont beaucoup plus proches que prévu.

FiberCell est actuellement en pourparlers avec des investisseurs et vise à produire ses cellules organiques à base de fibres pour tuiles et autres produits qui bénéficieraient de la capacité d'accepter la lumière sous différents angles. devrait théoriquement être capable de dépasser 15 pour cent d'efficacité, approchant 20 pour cent, dit Carroll. Cela rendrait la technologie photovoltaïque organique compétitive par rapport aux meilleurs panneaux de silicium d'aujourd'hui.

Jean-Paul Morgan , ingénieur optique et directeur de la technologie de la société d'énergie solaire photovoltaïque concentrée Morgan Solar, affirme que l'approche FiberCell devra concurrencer d'autres techniques conçues pour augmenter la surface des panneaux et piéger plus de lumière. Par exemple, il a été démontré que la croissance d'une forêt de nanofils étroitement groupés au-dessus d'un substrat améliore l'efficacité des cellules organiques.

Les fibres optiques sont une approche intéressante, mais comme d'autres approches, elles se résument aux défis de la fabrication, a déclaré Morgan. Toutes les nouvelles technologies cellulaires sont confrontées à des problèmes d'humidité, de connexions électriques, d'usure. S'ils peuvent les surmonter, cela pourrait être une idée très viable. Je suis impatient de voir ce qui va suivre.

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