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Manipulation de la lumière pour doubler la puissance solaire
La plupart des panneaux solaires convertissent moins de 20 % de l'énergie solaire qui leur tombe dessus en électricité. Un nouveau projet de 2,4 millions de dollars financé par l'Agence américaine des projets de recherche avancée pour l'énergie vise à augmenter considérablement la quantité de lumière solaire qui devient de l'électricité. Son objectif est un rendement de conversion de plus de 50 %, ce qui ferait plus que doubler la quantité d'électricité générée par un panneau solaire d'une taille donnée. Cela réduirait de moitié le nombre de panneaux solaires nécessaires et rendrait potentiellement l'énergie solaire plus compétitive par rapport aux combustibles fossiles.
Dans le nouvel effort de recherche, Harry Atwater, professeur de physique appliquée et de science des matériaux à Caltech, prévoit d'utiliser des matériaux structurés avec précision pour trier la lumière du soleil en huit à 10 couleurs différentes et les diriger vers des cellules solaires avec des semi-conducteurs parfaitement adaptés à chaque couleur. . En conséquence, une plus grande partie du spectre solaire sera absorbée et l'énergie contenue dans chaque tranche du spectre sera convertie principalement en électricité plutôt qu'en chaleur.
L'idée générale de trier la lumière du soleil par couleur n'est pas nouvelle. Une approche consiste à faire croître plusieurs matériaux semi-conducteurs dans une pile - la lumière se déplace à travers la pile jusqu'à ce qu'elle soit absorbée par un semi-conducteur qui peut la convertir efficacement. Cette approche a produit des cellules solaires commerciales avec des rendements de plus de 43 %. Mais le processus de fabrication de telles cellules solaires est coûteux et la puissance de sortie du dispositif est limitée par la couche la moins performante.
D'autres ont essayé de trier la lumière en différentes couleurs à l'aide de lentilles, de miroirs et de filtres conventionnels, mais les prototypes étaient volumineux et n'ont pas atteint des rendements très élevés, en partie à cause de l'imprécision de l'optique. longueurs d'onde de la lumière à chaque cellule solaire. Il a également été difficile de diviser la lumière en plusieurs couleurs différentes dans un seul appareil.
Au cours des dernières années, cependant, les scientifiques se sont améliorés pour manipuler la lumière à très petite échelle, la trier par couleur, la piéger et la guider d'un endroit à un autre à l'aide de fines couches de matériau qui incorporent de minuscules caractéristiques souvent plus petites. que la longueur d'onde de la lumière. Atwater prévoit de s'appuyer sur ces avancées pour manipuler la lumière avec précision et dans un boîtier plat compact qui pourrait ne pas être très différent d'un panneau solaire conventionnel. Une couche diviserait la lumière, la trierait par couleur, puis la livrerait à une deuxième couche qui contient un ensemble de cellules solaires correspondant à chaque couleur.
Le défi avec cette approche est que personne ne fabrique ces matériaux structurés avec précision sur les grandes surfaces et dans les grands volumes nécessaires à l'industrie solaire. Mais Atwater compare l'appareil à un téléviseur à écran plat, qui est lui-même un appareil sophistiqué pour manipuler la lumière, avec ses millions de transistors pour allumer et éteindre différents pixels de couleur.
Les premiers qui sont sortis coûtaient plusieurs milliers de dollars et présentaient des défauts. Maintenant, vous pouvez en obtenir un pour moins de cent dollars, ce qui est essentiellement parfait, et les coûts diminuent tout le temps, dit-il. Les écrans plats sont un exemple de quelque chose qui est à l'échelle d'un panneau solaire, mais sont des circuits optoélectroniques incroyablement complexes. Ce que nous proposons est primitif selon cette norme.
Atwater dit que les outils de fabrication nécessaires pour fabriquer ses matériaux nanostructurés commencent à arriver sur le marché. Ils resteront cependant chers tant que les volumes de production seront faibles. Les chercheurs se rapprochent également de la possibilité de fabriquer des plaquettes minces de divers semi-conducteurs et de les transférer vers un appareil comme celui qu'il envisage.