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Une nouvelle façon d'utiliser l'énergie du soleil
Un nouveau type d'appareil qui utilise à la fois la chaleur et la lumière du soleil devrait être plus efficace que les cellules solaires conventionnelles, qui ne convertissent que la lumière en électricité.
Chaleur vive : Nicholas Melosh a développé un appareil pour convertir simultanément la lumière et la chaleur du soleil en électricité. Melosh fabrique et teste l'appareil dans cette chambre à vide dans son laboratoire de l'Université de Stanford.
L'appareil repose sur un principe physique découvert et démontré par des chercheurs de l'Université de Stanford. Dans leur prototype, l'énergie de la lumière du soleil excite les électrons dans une électrode, et la chaleur du soleil amène les électrons excités à sauter à travers le vide dans une autre électrode, générant un courant électrique. L'appareil pourrait être conçu pour envoyer la chaleur résiduelle à un moteur à vapeur et convertir 50 % de l'énergie solaire en électricité, une énorme amélioration par rapport aux cellules solaires conventionnelles.
Les cellules solaires au silicium les plus courantes convertissent environ 15 % de l'énergie solaire en électricité. Plus de la moitié de l'énergie solaire entrante est perdue sous forme de chaleur. C'est parce que les matériaux actifs des cellules solaires ne peuvent interagir qu'avec une bande particulière du spectre solaire ; les photons en dessous d'un certain niveau d'énergie chauffent simplement la cellule.
Une façon de surmonter cela consiste à empiler des matériaux actifs les uns sur les autres dans une cellule multijonction qui peut utiliser un spectre de lumière plus large, en transformant une plus grande partie en courant électrique au lieu de chaleur, pour des rendements allant jusqu'à environ 40 %. Mais de telles cellules sont complexes et coûteuses à fabriquer.
À la recherche d'une meilleure façon de profiter de la chaleur du soleil, Stanford's Nicolas Meloch a été inspiré par des systèmes de cogénération très efficaces qui utilisent la détente du gaz en combustion pour entraîner une turbine et la chaleur de la combustion pour alimenter un moteur à vapeur. Mais les convertisseurs d'énergie thermique ne se marient pas bien avec les appareils solaires conventionnels. Plus il fait chaud, plus la conversion d'énergie thermique devient efficace. Les cellules solaires, en revanche, deviennent moins efficaces à mesure qu'elles chauffent. À environ 100 °C, une cellule au silicium ne fonctionnera pas bien ; au-dessus de 200 °C, cela ne fonctionnera pas du tout.
La percée est survenue lorsque les chercheurs de Stanford ont réalisé que la lumière du rayonnement solaire pouvait améliorer la conversion d'énergie dans un autre type d'appareil, appelé convertisseur d'énergie thermoionique, qui est conventionnellement entraîné uniquement par la chaleur. Les convertisseurs thermioniques sont constitués de deux électrodes séparées par un petit espace. Lorsque l'électrode positive, ou cathode, est chauffée, les électrons de la cathode sont excités et sautent vers l'électrode négative, ou anode, entraînant un courant dans un circuit externe. Ces appareils ont été utilisés pour alimenter des satellites russes mais n'ont trouvé aucune application au sol car ils doivent devenir très chauds, environ 1 500 °C, pour fonctionner efficacement. La cathode de ces dispositifs est généralement constituée de métaux tels que le césium.
Le groupe de Melosh a remplacé la cathode de césium par une plaquette de matériau semi-conducteur qui peut utiliser non seulement la chaleur mais aussi la lumière. Lorsque la lumière frappe la cathode, elle transmet son énergie aux électrons du matériau d'une manière similaire à ce qui se passe dans une cellule solaire. Ce type de transfert d'énergie ne se produit pas dans les métaux utilisés pour fabriquer ces cathodes dans le passé, mais il est typique des matériaux semi-conducteurs. Il ne faut pas autant de chaleur pour que ces électrons préexcités sautent vers l'anode, donc ce nouvel appareil peut fonctionner à des températures plus basses que les convertisseurs thermoioniques conventionnels, mais à des températures plus élevées qu'une cellule solaire.
Les chercheurs de Stanford appellent ce nouveau mécanisme PETE, pour l'émission thermoionique augmentée de photons. La lumière aide à élever le niveau d'énergie des électrons afin qu'ils circulent, dit Gang Chen , professeur d'ingénierie électrique au MIT. C'est un long chemin vers un appareil pratique, mais ce travail montre que c'est possible, dit-il.
Le prototype du groupe Stanford, décrit ce mois-ci dans la revue Matériaux naturels , utilise du nitrure de gallium comme semi-conducteur. Il convertit environ 25 % de l'énergie de la lumière en électricité à 200 °C, et son efficacité augmente avec la température. Stuart Licht, professeur de chimie à l'Université George Washington, affirme que le processus aurait un avantage sur les cellules solaires car il utilise de la chaleur en plus de la lumière. Mais il met en garde : des travaux supplémentaires seront nécessaires pour traduire cela en un appareil pratique et plus efficace.
Le groupe de Stanford s'emploie maintenant à faire exactement cela. Les chercheurs testent des dispositifs fabriqués à partir de matériaux mieux adaptés à la conversion de l'énergie solaire, notamment le silicium et l'arséniure de gallium. Ils développent également des moyens de traiter ces matériaux afin que l'appareil fonctionne plus efficacement dans une plage de température de 400 °C à 600 °C ; des concentrateurs solaires seraient utilisés pour générer de telles températures élevées à partir de la lumière du soleil.
Même à des températures élevées, le convertisseur thermoionique amélioré par photons générera plus de chaleur qu'il ne peut en utiliser ; Melosh dit que cette chaleur pourrait être couplée à un moteur à vapeur pour une efficacité de conversion de l'énergie solaire en électricité supérieure à 50 %. Ces systèmes sont susceptibles d'être trop complexes et coûteux pour les installations sur les toits à petite échelle. Mais ils pourraient être économiques pour les grandes installations de fermes solaires, explique Melosh, professeur de science et d'ingénierie des matériaux. Il espère avoir un appareil prêt pour le développement commercial dans trois ans.