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Des cellules solaires plus efficaces et durables sont possibles grâce au verre

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Des cellules solaires auto-refroidissantes, plus durables et plus efficaces sont à portée de main en ajoutant simplement une mince couche de verre.

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Un article publié aujourd'hui dans la revue en ligne Optica présente une solution possible pour un meilleur accès à l'énergie solaire.

Les cellules solaires convertissent le rayonnement solaire en énergie. Grâce à ce processus, on s'attend à une certaine perte d'énergie.

Mais une quantité surprenante d'énergie est perdue par la surchauffe des cellules solaires. Cela limite la capacité de la cellule à produire de l'électricité et réduit sa durée de vie.

Combattre la chaleur

L'équipe de recherche de l'Université de Stanford en Californie a découvert que lorsqu'une mince couche de verre de silice incrustée de minuscules structures coniques et pyramidales est placée au-dessus des cellules solaires en silicium, la température de fonctionnement des cellules chute considérablement.

Dirigés par le professeur de génie électrique Shanhui Fan, les chercheurs ont découvert que cette couche de verre redirige la chaleur indésirable dans l'atmosphère et l'espace.

En éliminant l'excès de rayonnement infrarouge, les cellules solaires restent fraîches et sont plus efficaces pour convertir les rayons solaires en énergie.

L'auteur principal de l'article, Linxiao Zhu, candidat au doctorat en physique, a déclaré que cette découverte pourrait mener à la mise au point de panneaux solaires plus rentables, ce qui en ferait une meilleure alternative aux énergies renouvelables.

"Abaisser la température des cellules solaires permet d'améliorer l'efficacité de fonctionnement ", a déclaré M. Zhu.

"De plus, une température de fonctionnement plus basse pour les cellules solaires entraîne une durée de vie beaucoup plus longue, réduisant ainsi le coût de l'énergie d'un système

Réduire le gaspillage d'énergie

Selon l'article, la limite supérieure de l'efficacité de conversion de puissance pour une seule cellule de silicium est d'environ 33,7%. Au fur et à mesure que la cellule se réchauffe, cette efficacité diminue - environ un demi pour cent pour chaque degré d'augmentation de la température.

Les coûts des méthodes actives de refroidissement des cellules solaires - comme la ventilation ou les liquides de refroidissement - l'emportent sur les avantages. Jusqu'à présent, la perte d'efficacité due à la surchauffe n'a donc pas été résolue.

Cette méthode passive fonctionne en utilisant les différentes longueurs d'onde du rayonnement solaire. La lumière visible dans le spectre est la meilleure source d'énergie, tandis que l'infrarouge transporte plus de chaleur.

Les chercheurs ont calculé qu'en "détournant" le rayonnement infrarouge à l'aide de verre de silice, la chaleur diminue sans affecter négativement la quantité de lumière visible que la cellule solaire peut absorber.

"Nous avons mis au point une conception optimale composée de pyramides de silice à l'échelle microscopique ", a déclaré le professeur Fan.

"[Ceci] maximise la puissance de refroidissement par le mécanisme de refroidissement radiatif, tout en restant transparent aux longueurs d'onde du rayonnement solaire."

Andrew Blakers, de l'Australian National University, a déclaré que même si les auteurs de cette étude ont une base théorique solide, il est peu probable que ce modèle soit réalisable dans le monde réel.

"Malheureusement, les comparaisons dans le document portent sur des structures spéciales et des cellules solaires nues, plutôt que sur des cellules encapsulées[et] les cellules solaires nues ne sont jamais déployées sur le terrain ", a déclaré M. Bakers, directeur du Centre for Sustainable Energy Systems (CECS) de l'ANU.

"Le superstrate de verre standard a de nombreuses fonctions, y compris la ténacité, la résistance aux rayures, la résistance structurelle, la résistance à l'infiltration d'humidité, l'adhésion à l'EVA/silicone.

"Le superstrate de verre doit être abandonné parce qu'il provoque trop d'absorption parasite du rayonnement thermique - il faudrait le remplacer par un substrat pour que le module soit autoportant."

Le professeur agrégé Ben Powell, de l'Université du Queensland, a déclaré que même si cette approche est une possibilité passionnante, les coûts pourraient l'emporter sur les avantages.

"Si elle ne peut pas être fabriquée à un prix suffisamment bas, l'électricité supplémentaire obtenue grâce aux gains d'efficacité et aux économies réalisées en remplaçant les cellules solaires ne permettra pas de payer le revêtement, auquel cas personne ne sera intéressé par son utilisation ", a déclaré le physicien.

"C'est une idée très élégante et prometteuse, mais il y a encore un long chemin à parcourir avant de trouver ça sur votre toit."

Malgré cela, les auteurs du document sont confiants que le développement futur est possible. Selon Linxiao Zhu, la prochaine étape consiste à appliquer ces recherches à des applications pratiques.

"Nous avons validé cette conception par des méthodes numériques extrêmement précises et nous travaillons actuellement à la démonstration expérimentale des premiers prototypes ", a-t-il déclaré.

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