Les meilleurs matériaux pour récupérer la lumière du soleil sous l’eau

Il existe peut-être de nombreux matériaux organiques et inorganiques négligés qui pourraient être utilisés pour capter la lumière du soleil sous l’eau et alimenter efficacement des véhicules submersibles autonomes, rapportent des chercheurs de l’Université de New York.

Leurs recherches, publiées le 18 mars dans la revue Joule, élaborent des directives pour des valeurs optimales de bande interdite à différentes profondeurs d’eau, démontrant que divers semi-conducteurs à large bande interdite, plutôt que les semi-conducteurs à bande étroite utilisés dans les cellules solaires traditionnelles en silicium, sont les mieux équipés pour une utilisation sous-marine.

“Jusqu’à présent, la tendance générale a été d’utiliser des cellules traditionnelles en silicium, qui sont loin d’être idéales une fois que vous allez à une profondeur importante, car le silicium absorbe une grande quantité de lumière rouge et infrarouge, qui est également absorbée par l’eau – en particulier à de grandes profondeurs“, explique Jason A. Röhr, associé de recherche postdoctorale au laboratoire Transformative Materials and Devices du professeur André D. Taylor à la Tandon School of Engineering de l’université de New York et auteur de l’étude. “Avec nos lignes directrices, des matériaux plus optimaux peuvent être développés“.

Les véhicules sous-marins, tels que ceux utilisés pour explorer l’océan abyssal, sont actuellement limités par l’énergie terrestre ou les batteries inefficaces à bord, ce qui empêche de voyager sur de plus longues distances et périodes de temps. Mais alors que la technologie des cellules solaires, qui a déjà décollé sur terre et dans l’espace, pourrait donner à ces submersibles une plus grande liberté de mouvement, le monde aquatique présente des défis uniques. L’eau diffuse et absorbe une grande partie du spectre de la lumière visible, absorbant les longueurs d’onde solaires rouges même à faible profondeur avant que les cellules solaires à base de silicium n’aient la possibilité de les capter.

La plupart des tentatives précédentes de développement de cellules solaires sous-marines ont été construites à partir de silicium ou de silicium amorphe, qui ont chacun des bandes passantes étroites, mieux adaptées à l’absorption de la lumière sur terre. Cependant, la lumière bleue et jaune parvient à pénétrer profondément dans la colonne d’eau même si les autres longueurs d’onde diminuent, ce qui laisse penser que les semi-conducteurs à bande interdite plus large que les cellules solaires traditionnelles pourraient être mieux adaptés pour fournir de l’énergie sous l’eau.

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Pour mieux comprendre le potentiel des cellules solaires sous-marines, Röhr et ses collègues ont évalué des masses d’eau allant des régions les plus claires des océans Atlantique et Pacifique à un lac finlandais turbide, en utilisant un modèle de bilan détaillé pour mesurer les limites d’efficacité des cellules solaires à chaque endroit. Il a été démontré que les cellules solaires récoltent l’énergie du soleil jusqu’à 50 mètres de profondeur dans les masses d’eau les plus claires de la Terre, les eaux froides augmentant encore l’efficacité des cellules.

Les calculs des chercheurs ont révélé que les absorbeurs des cellules solaires fonctionneraient mieux avec une bande interdite optimale d’environ 1,8 électronvolts à une profondeur de deux mètres et d’environ 2,4 électronvolts à une profondeur de 50 mètres. Ces valeurs sont restées constantes pour toutes les sources d’eau étudiées, ce qui suggère que les cellules solaires pourraient être adaptées à des profondeurs de fonctionnement spécifiques plutôt qu’à des endroits où se trouve l’eau.

Ce résumé graphique montre comment les cellules solaires sous-marines peuvent produire de l’énergie utile avec un rendement allant jusqu’à 65 % dans les eaux les plus claires.

M. Röhr note que les cellules solaires produites à bon marché à partir de matériaux organiques, dont on sait qu’ils fonctionnent bien dans des conditions de faible luminosité, ainsi que les alliages fabriqués avec des éléments des groupes trois et cinq du tableau périodique, pourraient être idéales en eaux profondes. Et si la substance des semi-conducteurs serait différente de celle des cellules solaires utilisées sur terre, la conception globale resterait relativement similaire.

“Les matériaux de récolte du soleil devraient changer, mais la conception générale ne devrait pas nécessairement changer tant que cela“, explique M. Röhr. “Les panneaux solaires traditionnels en silicium, comme ceux que vous pouvez trouver sur votre toit, sont encapsulés pour éviter les dommages causés par l’environnement. Des études ont montré que ces panneaux peuvent être immergés et fonctionner dans l’eau pendant des mois sans subir de dommages importants. Des méthodes d’encapsulation similaires pourraient être utilisées pour les nouveaux panneaux solaires fabriqués à partir de matériaux optimaux“.

Maintenant qu’ils ont découvert ce qui rend les cellules solaires sous-marines efficaces, les chercheurs prévoient de commencer à développer des matériaux optimaux.

Credit : Röhr et al./Joule

[ Communiqué ]
Lien principal : dx.doi.org/10.1016/j.joule.2020.02.005