De l’électricité avec la chaleur du soleil : le « black metal » va-t-il révolutionner l’énergie solaire ?
Produire de l’électricité avec la lumière du soleil, c’est le principe bien connu de l’effet photovoltaïque ; c’est le phénomène à l’œuvre dans les panneaux que nous installons sur nos toits. Mais il existe une autre manière de procéder : l’effet thermoélectrique. Et une nanotechnologie vient tout juste d’être mise au point pour en démultiplier le rendement.
Utiliser la lumière du soleil pour chauffer une face d’un semi-conducteur tout en conservant froide l’autre face, et utiliser cette différence de chaleur pour produire de l’électricité : c’est le principe des STEG (Solar thermoelectric generators, soit générateurs solaires thermoélectriques). Ces dispositifs utilisent un effet physique appelé l’effet Seebeck – le phénomène inverse à celui qui permet aux modules Peltier de réguler une température.
Problème : les modules thermoélectriques ont souvent un rendement très faible : moins de 1 % de l’énergie solaire incidente est convertie en électricité ; c’est peu, comparé aux cellules photovoltaïques qui dépassent 20 % de rendement. Mais des chercheurs de l’Institute of Optics de l’University of Rocherster ont trouvé une solution pour améliorer significativement le rendement.
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L’étude de Tianshu Xu a conçu un système très spécial autour du semi-conducteur. Du côté chaud du module thermoélectrique, ils ont transformé une plaque de tungstène en ce qu’ils appellent un « black metal » (« métal noir »). Pour ce faire, ils ont utilisé un laser pulsé femtoseconde (impulsions ultra-courtes d’un millionième de milliardième de seconde) pour graver la surface du métal à l’échelle du nanomètre (un milliardième de mètre). Ce faisant, ils ont modifié ses propriétés optiques : le métal absorbe mieux la lumière dans le domaine des longueurs d’onde du rayonnement solaire, tout en réduisant la dissipation de chaleur dans les autres longueurs d’onde.
Ils ont combiné cette innovation avec deux autres nouveautés. En premier lieu, ils couvrent la plaque de tungstène d’une pièce de plastique, destinée à limiter les pertes thermiques par convection, au même titre qu’une serre. En deuxième lieu, du côté froid, ils ont à nouveau utilisé un laser femtoseconde pour graver des stries microscopiques dans la plaque d’aluminium ; ces dernières amplifient le rayonnement et la convection, et donc le refroidissement.
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Toutes ces techniques visent à maximiser la différence de température entre le côté chaud et le côté froid. Et par là-même le rendement du module thermoélectrique. Et cela fonctionne : l’équipe annonce une multiplication par 15 du rendement du STE – de quoi s’approcher, donc, de celui des panneaux photovoltaïques.
Les chercheurs envisagent des applications pour des capteurs autonomes météorologiques ou agricoles, ou encore les objets connectés. Ils peuvent même être combinés à des panneaux photovoltaïques pour former des systèmes hybrides dont le rendement et la puissance seront encore maximisés. L’étude de Xu et collègues est disponible en source ouverte.
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