En plus des applications classiques des cellules solaires en toiture ou au sol à ciel ouvert, les dispositifs photovoltaïques peuvent également être utilisés avec la lumière laser pour une transmission efficace de l’énergie. Lors de la 48ème conférence des spécialistes du photovoltaïque de l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire ISE ont récemment présenté comment ils ont pu atteindre un rendement de conversion record de 68,9 % avec une cellule photovoltaïque sous lumière laser monochromatique. Pour cela, l’équipe de recherche a utilisé une cellule photovoltaïque très fine en arséniure de gallium et a appliqué un miroir conducteur hautement réfléchissant à l’arrière. Bluffant !
Les cellules photovoltaïques convertissent la lumière en électricité. La lumière entrante est absorbée dans une structure cellulaire, en matériau semi-conducteur à base d’arséniure de gallium, par exemple. La lumière absorbée libère des charges positives et négatives, qui sont à leur tour conduites vers les contacts avant et arrière des cellules, générant de l’électricité. Cet « effet photovoltaïque » est particulièrement efficace lorsque l’énergie de la lumière incidente est légèrement supérieure à l’énergie dite de bande interdite inhérente au matériau semi-conducteur. Ainsi, des rendements très élevés sont théoriquement possibles lorsqu’un laser monochromatique comme source lumineuse est associé à un matériau composé semi-conducteur approprié.
Une absorption maximisée
Dans cette nouvelle forme de transfert d’énergie, appelée puissance par la lumière, l’énergie laser est délivrée soit par voie aérienne, soit via une fibre optique à une cellule photovoltaïque dont les propriétés correspondent à la puissance et à la longueur d’onde de la lumière laser monochromatique. Par rapport à la transmission d’énergie conventionnelle via des fils de cuivre, les systèmes d’alimentation par lumière sont particulièrement avantageux pour les applications qui nécessitent une alimentation électrique isolée galvaniquement, une protection contre la foudre ou les explosions, une compatibilité électromagnétique ou une transmission d’énergie entièrement sans fil, par exemple. Les chercheurs de Fraunhofer ISE ont atteint un rendement de conversion record de 68,9 % pour une cellule photovoltaïque à semi-conducteur III-V à base d’arséniure de gallium exposée à une lumière laser de 858 nanomètres.
Il s’agit du rendement le plus élevé atteint à ce jour pour la conversion de la lumière en électricité. Ce succès a été rendu possible grâce à une technologie spéciale à couche mince dans laquelle les couches de cellules solaires sont d’abord développées sur un substrat d’arséniure de gallium qui est ensuite retiré. Un miroir conducteur hautement réfléchissant est appliqué sur la surface arrière de la structure semi-conductrice restante, qui n’a que quelques micromètres d’épaisseur. « Cette approche à couche mince présente deux avantages distincts pour l’efficacité », explique le physicien Dr Henning Helmers, chef de l’équipe de recherche Fraunhofer ISE. « Tout d’abord, les photons sont piégés dans la cellule et l’absorption est maximisée pour des énergies de photons proches de la bande interdite, ce qui minimise simultanément la thermalisation et les pertes de transmission, rendant la cellule plus efficace. Deuxièmement, les photons générés en interne par recombinaison radiative sont piégés et recyclés efficacement. Cela prolonge la durée de vie effective du porteur, augmentant ainsi la tension.
L’énorme potentiel du photovoltaïque pour des applications industrielles
Le groupe de recherche a étudié des cellules photovoltaïques à couche mince avec des réflecteurs de surface arrière en or et une combinaison optiquement optimisée de céramique et d’argent, ce dernier présentant les meilleurs résultats. Une hétérostructure n-GaAs/p-AlGaAs a été développée en tant qu’absorbeur, qui montre des pertes de porteurs de charge particulièrement faibles dues à la recombinaison. “C’est un résultat impressionnant qui montre le potentiel du photovoltaïque pour des applications industrielles au-delà de la production d’énergie solaire”, se réjouit le professeur Andreas Bett, directeur de l’institut Fraunhofer ISE. La transmission optique de l’énergie a de nombreuses applications. Des exemples sont la surveillance structurelle des éoliennes ; la surveillance de lignes à haute tension, de capteurs de carburant dans des réservoirs d’avions ou de réseaux optiques passifs ; l’alimentation optique d’implants depuis l’extérieur du corps ; ou une alimentation sans fil pour des applications dans l’Internet des objets.