- De nouveaux matériaux améliorés pour panneaux solaires ont été analysés
- Deux effets physiques essentiels se combinent pour produire ces améliorations
- Cette combinaison pourrait aider les panneaux à dépasser un taux de conversion énergétique de 33 %
Une théorie physique établie de longue date suggère que les panneaux solaires ne pourront jamais convertir plus de 33 % de la lumière qu’ils reçoivent. Une équipe de l’université de Groningue, aux Pays-Bas, a toutefois détaillé une méthode permettant de récupérer davantage d’énergie à partir d’électrons « chauds », ce qui pourrait aider à dépasser cette limite.
Les panneaux solaires fonctionnent en utilisant les photons de la lumière solaire pour mettre des électrons en mouvement. Avec les photons les plus énergétiques, le résultat prend la forme d’électrons dits « chauds », particulièrement chargés en énergie et capables, en théorie, de produire beaucoup plus d’électricité. Le problème vient de leur refroidissement extrêmement rapide : leur énergie est dissipée sous forme de chaleur avant de pouvoir être récupérée.
Ces nouveaux travaux prolongent de précédentes études consacrées à un matériau photovoltaïque prometteur à base d’étain. Celui-ci a montré qu’il pouvait conserver l’énergie thermique des électrons chauds environ 1 000 fois plus longtemps, mais plusieurs hypothèses concurrentes tentaient jusqu’ici d’expliquer ce mécanisme.
La nouvelle étude avait précisément pour objectif de comprendre ce qui se produisait, à l’aide d’une série de simulations informatiques et de mesures expérimentales. Une meilleure compréhension des propriétés essentielles de ce matériau doit permettre aux chercheurs d’exploiter son potentiel et, éventuellement, de le faire évoluer vers une technologie commercialement viable.
Un refroidissement ultra-long
Deux effets physiques sont essentiels aux améliorations observées par les chercheurs.
L’analyse a permis d’identifier deux phénomènes différents. Le premier, appelé « hot phonon bottleneck » ou goulot d’étranglement des phonons chauds, crée une sorte de piège thermique : l’environnement autour des électrons s’échauffe tellement rapidement que ceux-ci finissent par réabsorber l’énergie thermique, ce qui leur permet de rester chauds plus longtemps.
Le second phénomène, appelé effet Burstein-Moss, crée l’équivalent d’un embouteillage à l’échelle atomique. Lorsque les électrons chauds refroidissent, ils remplissent rapidement les états d’énergie les plus bas disponibles dans le matériau. Les autres électrons chauds ne peuvent donc plus perdre leur énergie aussi rapidement. Le phénomène peut être comparé à un avion rempli en commençant par les sièges avant : les passagers arrivant plus tard doivent aller de plus en plus loin vers l’arrière.
Ces deux effets étaient déjà connus, mais l’étude montre désormais qu’ils expliquent le comportement de ces matériaux photovoltaïques particuliers. Leur combinaison permet de prolonger fortement le refroidissement des électrons chauds et pourrait aider les futurs panneaux solaires à dépasser la limite cruciale de 33 %, afin de produire de l’énergie propre plus efficacement.
« C’est la satisfaction simultanée de ces critères électroniques, phononiques et chimiques, dans des conditions d’injection élevée, qui permet d’obtenir les temps de refroidissement ultra-longs nécessaires à des dispositifs pratiques », écrivent les chercheurs dans leur étude publiée dans la revue ACS Energy Letters.
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