Concentrateur solaire : plus de lumière avec moins de perte

Alors que la conversion de la lumière solaire en électricité n’est pas (NDLR : encore) "économiquement" intéressante en raison du coût élevé des cellules solaires, une récente approche purement optique réalisée par des chercheurs de l’Argonne National Laboratories et de l’Université de l’Etat de Pennsylvannie (USA) propose d’améliorer les concentrateurs solaires luminescents (LSC) pour rendre la filière plus compétitive.

L’utilisation de la concentration de la lumière du soleil permet de réduire le coût de l’énergie, car le processus réclame moins de cellules solaires pour produire une quantité d’électricité équivalente.

Leur LSC va concentrer la lumière en l’absorbant dans un premier temps puis en la ré-émettant à basse fréquence à l’intérieur d’une dalle en matériau transparent. Il peut aussi bien recueillir la lumière directe du soleil que la lumière diffuse par temps nuageux. Le matériau guide ensuite la lumière aux bords de la dalle, où les cellules photovoltaïques convertissent enfin l’énergie en électricité.

"Actuellement, les concentrateurs solaires utilisent des systèmes coûteux de "tracking" qui ont pour objectif de suivre le soleil", a déclaré Chris Giebink, professeur adjoint en génie électrique au Penn State. "S’ils sont déviés de quelques dixièmes de degré, la puissance délivrée par le système chute drastiquement. S’ils pouvaient maintenir une forte concentration sans suivre le soleil, les dispositifs pourraient créer de l’électricité à moindre coût."

Potentiellement, le LSC est en mesure de concentrer la lumière solaire à l’équivalent de plus de 100 soleils, mais en pratique, la puissance de sortie reste limitée. Alors que les LSC de petites tailles fonctionnent "bien", leur performance se détériore avec l’augmentation d’échelle, car une grande partie de l’énergie est réabsorbée avant d’atteindre les cellules photovoltaïques.

Concrètement, un peu de lumière est réabsorbée à chaque fois qu’elle rebondit sur la dalle et, parce que cela arrive des centaines de fois, cela provoque de gros soucis de performance. Les chercheurs ont affirmé dans la revue "Nature Photonics" avoir démontré "une propagation lumineuse quasi sans perte de plusieurs chromophores différents, ce qui permettrait au final un doublement à minima du ratio de concentration par rapport au LSC conventionnel."

La clé réside en fait dans la baisse du phénomène d’absorption grâce aux effets induits des microcavités qui se produisent lorsque la lumière se déplace à travers une petite structure d’une taille comparable à la longueur d’onde de la lumière. Ces LSC sont constitués de deux couches minces sur un morceau de verre. Le premier film mince est une couche luminescente qui contient un colorant fluorescent capable d’absorber et de réémettre la lumière du soleil. Cela signifie que la lumière émise en un endroit du concentrateur ne pourra se propager à nouveau dans le film luminescent, l’empêchant ainsi d’être réabsorbée.

"Nous étions à la recherche d’un procédé de récupération de la lumière, tout en l’empêchant d’être absorbée", a déclaré Giebink. "Une des choses que nous pouvions changer était la forme et l’épaisseur de la couche luminescente."

Les chercheurs ont donc tenté une approche de type escalier à la surface de la couche contenant le colorant. Ils ont observé l’émission de la lumière sur cette nouvelle configuration en plaçant une cellule photovoltaïque à un bord du collecteur et ont trouvé une amélioration de 15% par rapport aux LSC conventionnels.

"Expérimentalement, nous travaillons avec des appareils de la taille de lames microscopiques, mais nous avons modélisé la sortie pour des tailles plus grande", a déclaré Giebink. "L’extrapolation des résultats avec notre modèle prédit une intensification à 25 soleils pour un concentrateur de la taille d’une fenêtre. C’est environ deux fois et demi supérieur à un LSC conventionnel."

Toutefois, les chercheurs ne croient pas que l’approche en marche d’escalier soit une conception optimale pour ces LSC. Une surface plus complexe sera certainement plus optimale, mais la conception le sera aussi. D’autres approches consisteraient également a inclure différentes formes de substrat en verre, produisant un effet similaire et potentiellement plus simple à faire.

"Nous devons trouver le chemin optimal pour structurer ce nouveau type de LSC afin qu’il soit plus efficace mais aussi très peu coûteux à fabriquer", a déclaré Giebink.