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L'un des freins au déploiement massif des panneaux photovoltaïques, c'est leur relatif manque d'efficacité. Celui-ci est inscrit au plus profond des propriétés physiques des semi-conducteurs classiquement employés pour concevoir ces panneaux. Cependant, plusieurs solutions sont envisagées par les chercheurs. Utiliser différents semi-conducteurs dans une même cellule, par exemple. Ou encore, concentrer la lumière du soleil à l'aide de banales lentilleslentilles. Les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), quant à eux, s'intéressent, depuis quelques années déjà, à l'idée de convertir, au préalable, la lumière du soleil en chaleur (pour exploiter un maximum du spectre solaire) avant de transformer celle-ci en électricité. Ils viennent d'ailleurs de démontrer que cela fonctionne.
Dans les années 1960, la limite de Shockley-Queisser a été établie comme celle fixant l'efficacité de conversion maximale de l'énergie solaire en énergie électrique à partir de cellules solaires construites à base de semi-conducteurs. Il est ainsi admis que le rendement d'une cellule à une couche de siliciumsilicium (comme celles que l'on trouve aujourd'hui dans la plupart des panneaux photovoltaïques) ne peut dépasser les quelque 32 %.
Pourquoi ? Parce que pour qu'un semi-conducteur produise de l'électricité à partir de la lumière du soleil, il faut qu'il soit excité par des photonsphotons suffisamment énergétiques. Ainsi, les électronsélectrons peuvent franchir la bande interdite et passer de la bande de valencebande de valence à la bande de conductionbande de conduction. Certains photons que nous recevons du soleil sont donc naturellement exclus du processus. D'autres, trop énergétiques quant à eux, ne peuvent être exploités à leur maximum. Une grande quantité d'énergieénergie est alors perdue sous forme de chaleur. Une chaleur qui peut, parfois même, endommager le système.
Les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) semblent être parvenus à dépasser la limite de Shockley-Queisser en imaginant une cellule thermophotovoltaïque dans laquelle des cristaux nanophotoniques et des nanotubes de carbone viennent prêter main forte à une cellule en silicium classique. © David Bierman et al., MIT
De la chaleur pour améliorer l’efficacité des cellules photovoltaïques
La technologie proposée par les chercheurs est connue sous le terme générique de « solaire thermophotovoltaïque ». L'ambition est d'élargir sensiblement le spectrespectre des longueurs d’onde susceptibles d'être absorbées par le semi-conducteur, et donc d'être converties en électricité. De quoi, prétendent les chercheurs américains, aller jusqu'à doubler l'efficacité théorique des cellules solaires et produire deux fois plus d'électricité à partir d'une surface de panneaux donnée. Leur démonstrateurdémonstrateur n'a atteint que 6,8 % de rendement car il est construit à partir d'une cellule classique à très faible rendement. Toutefois, il apporte la preuve d'une réelle amélioration possible.
L'idée de base est simple : la lumière et la chaleur qui nous arrivent du soleil sont absorbées par un matériaumatériau high-tech capable, dans ces conditions, d'émettre, en réponse, des rayonnements thermiquesrayonnements thermiques, ou, plus exactement, le rayonnement qui permettra de maximiser l'absorptionabsorption par la cellule photovoltaïquecellule photovoltaïque classique située en aval.
Pour ce faire, les chercheurs ont mis en œuvre des cristaux nanophotoniques d'une part et des nanotubes de carbone d'autre part. Les nanotubes de carbonenanotubes de carbone assurent une parfaite absorption du spectre de la lumière solaire. Ainsi, tous les photons peuvent être convertis en chaleur. Une chaleur qui sert à chauffer les cristaux nanophotoniques à une température avoisinant les 1.000 °C. En réponse, ceux-ci émettent à une longueur d'ondelongueur d'onde qui correspond précisément à la longueur d'onde d'absorption optimale de la cellule photovoltaïque.
Selon les chercheurs du MIT, ce système présenterait également l'avantage de pouvoir fonctionner lorsque des nuagesnuages viennent masquer le soleil, voire, s'il est couplé avec un système de stockage de la chaleur, fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Le tout grâce aux émissionsémissions secondaires générées par les cristaux nanophotoniques. Ces caractéristiques pourraient se révéler extrêmement intéressantes si les chercheurs parvenaient à élargir leur conception au-delà du démonstrateur de laboratoire, et surtout à développer des stratégies de production économiquement viables.
