Lumière à haute énergie : du concentré solaire facteur 30

Pour se faire, ils ont combiné un dispositif émetteur de lumière quantique avec des miroirs photoniques spectraux appariés.

Cette percée ouvre ainsi la voie pour le développement futur de cellules solaires à faible coût qui utilisent "efficacement" la partie haute énergie du spectre solaire.

"Nous avons atteint un ratio de concentration luminescente supérieure à 30, avec un rendement optique de 82% pour les photons bleus," a expliqué le directeur du Berkeley Lab, Paul Alivisatos, co-leader de cette recherche. "A notre connaissance, ceci est le plus haut facteur de concentration luminescente jamais rencontré dans la littérature à ce jour."

Alivisatos ainsi que Ralph Nuzzo chercheur de l’Université de l’Illinois sont les auteurs d’un article dans la revue ‘ACS Photonics’ intitulé "Quantum Dot Luminescent Concentrator Cavity Exhibiting 30-fold Concentration."

L’industrie de l’énergie solaire aux États-Unis est en plein essor avec un nombre d’installations photovoltaïques en croissance, passant de 1,2 gigawatts en 2008, à plus de 20 gigawatts aujourd’hui, selon les sources du Département américain de l’Énergie (DOE).

Pourtant, près de 70% de l’électricité du pays sont toujours produites à partir de combustibles fossiles. L’alternative du panneau solaire photovoltaïque à faible coût devient une nécessité pour que les avantages de l’énergie solaire soit pleinement remplis. Une des solutions prometteuses sont les concentrateurs solaires luminescents (CSL).

Contrairement aux cellules solaires classiques qui absorbent directement la lumière du soleil et la convertissent en électricité, le CSL absorbe la lumière sur une plaque intégré grâce à des émetteurs de lumière hautement performants appelés "luminophores", avant de réémettre la lumière absorbée dans d’autres longueurs d’onde, un processus connu sous le nom de déplacement de Stokes. Cette lumière réémise est orientée vers une cellule micro-solaire afin de la convertir en électricité. Étant donnée que la plaque est beaucoup plus grande que la cellule micro-solaire, l’énergie solaire frappant la cellule est très concentrée.

Avec un facteur de concentration suffisant, seules de petites quantités de matières photovoltaïques coûteuses sont nécessaires pour recueillir la lumière à partir d’un quide d’onde luminescente. Cependant, le facteur de concentration et l’efficacité de la collecte (via des colorants moléculaires qui jusqu’à présent ont été utilisés comme luminophores) sont limités par des pertes parasitaires.

"Nous avons remplacé les colorants moléculaires dans les systèmes CSL avec des nanoparticules composées de séléniure de cadmium (CdSe) pour les noyaux et du sulfure de cadmium (CdS) pour l’enveloppe, ce qui augmente le déplacement de Stokes tout en réduisant la ré-absorption des photons", a indiqué le Pr. Bronstein.

"Les nanoparticules CdSe / CdS nous ont permis de découpler l’absorption d’énergie du volume d’émission, qui à son tour nous a permis d’équilibrer l’absorption et la diffusion pour obtenir la nanoparticule optimale," a t-il ajouté. "Notre utilisation de miroirs photoniques qui ont été adaptés méticuleusement à la largeur de nos luminophores, ce qui nous a permis d’atteindre une efficacité de guide d’onde supérieure à la limite imposée par la réflexion interne totale."

Les scientifiques se disent confiant dans les futurs dispositifs CSL qui permettront d’atteindre des ratios de concentration encore plus élevés grâce à l’amélioration du rendement quantique de luminescence, de la géométrie du guide d’ondes, et de la conception du miroir photonique.