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Les microcellules solaires gèrent la lumière du soleil plus intense
Une start-up espère réduire le coût de production d'électricité avec la lumière solaire concentrée en utilisant des cellules solaires à micro-échelle qui peuvent utiliser deux fois plus de lumière que les autres panneaux, sans avoir besoin d'optiques ou de systèmes de refroidissement coûteux. Des panneaux fabriqués à partir de minuscules cellules, que la société basée à Durham, en Caroline du Nord Toujours développé à l'aide d'une nouvelle technologie de micro-impression, offre également des économies significatives sur les coûts des matériaux. Fin janvier, la société a annoncé un accord conjoint avec Siemens pour développer des systèmes de démonstration basés sur sa technologie. Semprius prévoit de commencer la production en série des modules en 2013.
Microcellule : Les cellules solaires fabriquées par Semprius mesurent 600 micromètres de côté et peuvent être associées à des optiques haute puissance. La cellule elle-même (le carré noir au centre) est montée sur une base en céramique avec des contacts électriques de chaque côté.
L'ajout de lentilles de concentration aux panneaux solaires augmente la quantité d'électricité qu'ils peuvent produire. Mais les concentrateurs photovoltaïques ajoutent beaucoup de dépenses à une installation solaire. Les systèmes optiques eux-mêmes sont coûteux et encombrants : plus une cellule est grande, plus sa lentille couplée doit être grande. Une lumière plus intense signifie également que davantage de chaleur dégradant les performances doit être dissipée à l'aide de dissipateurs thermiques ou de ventilateurs. Bien que le coût soit en partie compensé par l'efficacité du photovoltaïque à haute concentration, il limite la puissance potentielle de tels systèmes concentrateurs. Les deux principaux fournisseurs de modules solaires concentrés, Amonix et Emcore , les deux vendent des systèmes basés sur des cellules de taille conventionnelle qui fonctionnent sous une concentration 500 fois supérieure à la lumière du soleil avec des systèmes de refroidissement coûteux.
Les modules solaires de Semprius contiennent des réseaux de cellules carrées qui ne mesurent que 600 micromètres de côté. Ces cellules ont trois couches semi-conductrices, chacune à base d'arséniure de gallium et absorbant une bande différente de lumière solaire, et elles sont fabriquées à l'aide d'une combinaison de gravure chimique et d'impression, ce qui signifie que moins de matières premières sont gaspillées. Ils peuvent fonctionner sous une lumière solaire concentrée 1 000 fois en utilisant des systèmes optiques bon marché. Selon les laboratoires nationaux d'énergie renouvelable, l'efficacité des modules résultants varie de 25 à 35 pour cent et ils peuvent fournir de l'électricité pour environ 10 cents le kilowattheure. L'entreprise s'attend à ce que les coûts finaux, y compris l'installation, soient de 2 à 3 $ par watt.
L'année dernière, une étude menée par des chercheurs de Laboratoires nationaux Sandia à Albuquerque, au Nouveau-Mexique, a suggéré que les cellules solaires à micro-échelle pourraient offrir divers avantages en termes de coût et de conception. Vous réduisez la quantité de semi-conducteurs dont vous avez besoin, ce qui permet de réaliser d'importantes économies, explique Gregory Nielson, scientifique en chef du projet Sandia. Et vous pouvez faire des choses avec l'optique que vous ne pouvez pas faire avec des cellules plus grandes.
Les cellules solaires plus petites sont plus efficaces pour dissiper la chaleur. Lorsque les cellules sont inférieures à un millimètre, elles rejettent la chaleur si efficacement qu'elles seront aussi froides qu'un panneau solaire, sans avoir besoin de systèmes de refroidissement, explique Nielson. C'est parce que les cellules minuscules ont un pourcentage beaucoup plus élevé de surface totale cédée aux bords de diffusion de chaleur.
Concentré solaire : Ce réseau de lentilles solaires concentre la lumière sur des cellules solaires microscopiques à l'intérieur.
La clé pour fabriquer les cellules de Semprius est un processus d'impression développé par des chercheurs dirigés par John Rogers , professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
Les cellules solaires sont généralement fabriquées en accumulant des couches actives sur la surface d'une plaquette semi-conductrice, puis en sciant la plaquette en morceaux. Le processus d'impression de Semprius commence par traiter les plaquettes de la même manière. Mais au lieu de scier, l'entreprise utilise une gravure chimique pour marquer la surface d'une plaquette en cellules microscopiques, les laissant attachées à la surface de la plaquette par une petite languette. La clé de l'étape de gravure est l'ajout d'une couche sacrificielle lors du traitement des plaquettes. Le décapant chimique ne ronge que cette couche, clivant les cellules de la surface. Un robot portant un tampon en polymère se déplace ensuite sur la plaquette, ramassant les cellules et les plaçant au-dessus d'un ensemble de supports en céramique imprimés avec des contacts électriques. Le processus n'utilise qu'une fine couche de la surface de la plaquette, qui peut être renvoyée à la fonderie pour être réutilisée. Chaque plaquette de quatre pouces peut être utilisée pour produire 36 000 cellules.
Chaque cellule est ensuite surmontée d'une minuscule lentille sphérique. Normalement, il y a un énorme point chaud au centre de la cellule, mais la lentille sphérique distribue uniformément la lumière, explique Joseph Carr, PDG de Semprius. Ces lentilles capturent la lumière du soleil sous un grand angle. Enfin, les cellules surmontées de lentilles sont regroupées en matrices de 14 pouces, qui sont surmontées de lentilles en silicone qui dirigent la lumière du soleil sur les lentilles sphériques plus petites. Ensemble, le système optique concentre la lumière du soleil 1 000 fois. Ces panneaux sont empilés sur un suiveur de lumière pour former un module solaire de 18 pieds sur 8 pieds.
Semprius prévoit d'octroyer une licence pour sa technologie d'impression afin de permettre la production en série des modules d'ici 2013. La société prévoit de développer des systèmes de contrôle de la poursuite du soleil avec Siemens et de développer davantage sa technologie de micro-impression, qui est compatible avec une gamme de matériaux semi-conducteurs, notamment le silicium. .