L'avenir radieux de l'énergie solaire

Une description détaillée et simple du fonctionnement des panneaux solaires et des prévisions pour l'avenir

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Notre récent examen des panneaux solaires peut vous donner l'impression que la collecte de l'énergie solaire est une chose nouvelle, mais les gens l'exploitent depuis des milliers d'années. Avec son aide, ils chauffent les maisons, cuisinent et chauffent l'eau. Certains des premiers documents décrivant la collecte d'énergie solaire remontent à la Grèce antique. Socrate lui-même a déclaré: "Dans les maisons orientées au sud, le soleil d'hiver pénètre dans la galerie, et en été, le chemin du soleil passe au-dessus de nos têtes et directement au-dessus du toit, ce qui provoque la formation d'une ombre". Il décrit comment l'architecture grecque a utilisé la dépendance des chemins solaires sur les saisons.

Au 5ème siècle avant JC Les Grecs ont fait face à une crise énergétique. Le combustible prédominant, le charbon de bois, a pris fin alors qu'ils abattaient toutes les forêts pour cuisiner et chauffer les maisons. Des quotas pour le bois et le charbon ont été introduits et les oliveraies devaient être protégées des citoyens. Les Grecs ont abordé la crise, planifiant soigneusement le développement urbain, pour s'assurer que chaque maison puisse profiter du soleil décrit par Socrate. La combinaison de la technologie et de régulateurs éclairés a fonctionné et la crise a été évitée.

Au fil du temps, la technologie de collecte de l'énergie thermique du soleil n'a fait que croître. Les colons de la Nouvelle-Angleterre ont emprunté la technologie de construction de maisons aux anciens Grecs pour se tenir au chaud pendant les hivers froids. De simples chauffe-eau solaires passifs, pas plus compliqués que des barils peints en noir, ont été vendus aux États-Unis à la fin du XIXe siècle. Depuis lors, des capteurs solaires plus sophistiqués ont été développés qui pompent l'eau à travers des panneaux qui absorbent ou concentrent la lumière. L'eau chaude est stockée dans un réservoir isolé. Dans les climats glaciaux, un système à deux fluides est utilisé dans lequel le soleil réchauffe un mélange d'eau avec de l'antigel passant à travers une spirale dans un réservoir de stockage d'eau, qui joue un autre rôle, le rôle d'un échangeur de chaleur.


Capteurs solaires sur les toits de Chypre

Aujourd'hui, de nombreux systèmes commerciaux sophistiqués sont disponibles pour chauffer l'eau et l'air dans une maison. Des capteurs solaires sont installés partout dans le monde, et la plupart par habitant se trouvent en Autriche, à Chypre et en Israël.


Capteur solaire de toit à Washington DC

L'histoire moderne des panneaux solaires commence en 1954, avec la découverte d'un moyen pratique d'extraire l'électricité de la lumière: les laboratoires de Bell ont découvert que le matériau photovoltaïque peut être fabriqué à partir de silicium. Cette découverte est devenue la base des panneaux solaires d'aujourd'hui (appareils qui transforment la lumière en électricité) et a lancé une nouvelle ère de l'énergie solaire. Grâce à des recherches intensives, l'ère actuelle de l'énergie solaire se poursuit et le soleil a l'intention de devenir la principale source d'énergie à l'avenir.

Qu'est-ce qu'une cellule solaire?

Le type de cellule solaire le plus courant est un dispositif semi-conducteur au silicium, un parent éloigné d'une diode à l'état solide. Les panneaux solaires sont constitués d'un ensemble de cellules solaires connectées les unes aux autres et créant un courant de sortie avec la tension et la force souhaitées. Les éléments sont entourés d'un boîtier protecteur et recouverts de vitres.

Les cellules solaires produisent de l'électricité en raison de l'effet photovoltaïque, qui n'a pas été découvert du tout dans les laboratoires de Bell. Il a été découvert pour la première fois en 1839 par le physicien français Alexander Edmond Becquerel, le fils du physicien Antoine Cesar Becquerel et le père du physicien Antoine Henri Becquerel, qui a reçu le prix Nobel et découvert la radioactivité. Un peu plus de cent ans plus tard, une percée dans la fabrication de cellules solaires a été réalisée dans le laboratoire de Bella, qui est devenu la base de la création du type de cellules solaires le plus courant.

Dans le langage de la physique du solide, une cellule solaire est créée à partir d'une jonction pn dans un cristal de silicium. La transition est créée en ajoutant de petites quantités de défauts différents à différentes zones du cristal; l'interface entre ces zones sera la transition. Du côté n, les électrons transportent le courant et du côté p, les trous où les électrons sont absents. Dans les régions adjacentes à l'interface, la diffusion de charge crée un potentiel interne. Lorsqu'un photon avec une énergie suffisante pénètre dans le cristal, il peut éliminer un électron d'un atome et créer une nouvelle paire électron-trou.



Un électron nouvellement libéré est attiré par des trous de l'autre côté de la transition, mais en raison de son potentiel interne, il ne peut pas le traverser. Mais si les électrons reçoivent un chemin à travers un circuit externe, ils iront le long et éclaireront nos maisons le long du chemin. Atteignant l'autre côté, ils se recombinent avec des trous. Ce processus se poursuit pendant que le soleil brille.

L'énergie nécessaire pour libérer un électron lié s'appelle la bande interdite. C'est la clé pour comprendre pourquoi les cellules photovoltaïques ont une limitation d'efficacité inhérente. La bande interdite est une propriété constante du cristal et de ses impuretés. Les impuretés sont régulées de manière à ce que la bande interdite d'une cellule solaire soit proche de l'énergie photonique du spectre visible. Un tel choix est dicté par des considérations pratiques, car la lumière visible n'est pas absorbée par l'atmosphère (en d'autres termes, à la suite de l'évolution, les gens ont acquis la capacité de voir la lumière avec les longueurs d'onde les plus courantes).

L'énergie photonique est quantifiée. Un photon avec une énergie inférieure à la bande interdite (par exemple, de la partie infrarouge du spectre) ne peut pas créer un porteur de charge. Il chauffe juste le panneau. Deux photons infrarouges ne fonctionneront pas non plus, même si leur énergie totale est suffisante. Un photon d'énergie excessivement élevée (par exemple, de la gamme ultraviolette) assommera un électron, mais l'énergie excédentaire sera gaspillée.

Étant donné que l'efficacité est définie comme la quantité d'énergie lumineuse incidente sur le panneau divisée par la quantité d'électricité reçue - et comme une partie importante de cette énergie sera perdue - l'efficacité ne peut pas atteindre 100%.

La bande interdite d'une cellule solaire au silicium est de 1,1 eV. Comme le montre le diagramme du spectre électromagnétique, le spectre visible est un peu plus haut dans la région, donc toute lumière visible nous donnera de l'électricité. Mais cela signifie également qu'une partie de l'énergie de chaque photon absorbé est perdue et convertie en chaleur.



En conséquence, il s'avère que même avec un panneau solaire idéal fabriqué dans des conditions impeccables, l'efficacité maximale théorique sera d'environ 33%. Pour les panneaux disponibles dans le commerce, l'efficacité est généralement de 20%.

Pérovskites

La plupart des panneaux solaires installés dans le commerce sont fabriqués à partir des cellules en silicium décrites ci-dessus. Mais les laboratoires du monde entier recherchent d'autres matériaux et technologies.

L'un des domaines les plus prometteurs de ces derniers temps est l'étude de matériaux appelés pérovskites. Le minéral de pérovskite , CaTiO ₃ , a été nommé en 1839 en l'honneur de l'homme d'État russe le comte L. A. Perovsky (1792-1856) , qui était un collectionneur de minéraux. Le minéral peut être trouvé sur l'un des continents de la Terre et dans les nuages ​​d'au moins une exoplanète. Les pérovskites sont également appelées matériaux synthétiques qui ont la même structure cristalline rhombique que la pérovskite naturelle et ont une structure chimique similaire en structure.



Selon les éléments, les pérovskites présentent diverses propriétés utiles, telles que la supraconductivité, la magnétorésistance géante et les propriétés photovoltaïques. Leur utilisation dans les cellules solaires a suscité beaucoup d'optimisme, car leur efficacité dans la recherche en laboratoire a augmenté au cours des 7 dernières années de 3,8% à 20,1%. Des progrès rapides inspirent confiance en l'avenir, d'autant plus que les limites de l'efficacité deviennent plus claires.

Lors d'expériences récentes à Los Alamos, il a été démontré que les cellules solaires de certaines pérovskites sont proches de l'efficacité du silicium, tout en étant moins chères et plus faciles à fabriquer. Le secret de l'attractivité des pérovskites est la capacité de faire croître rapidement et facilement des cristaux de taille millimétrique sans défauts sur un film mince. Il s'agit d'une très grande taille pour un réseau cristallin idéal, qui, à son tour, permet à l'électron de voyager à travers le cristal sans interférence. Cette qualité compense partiellement la bande interdite imparfaite de 1,4 eV, par rapport à une valeur presque idéale pour le silicium de 1,1 eV.

La plupart des études visant à augmenter l'efficacité des pérovskites sont associées à la recherche de moyens d'éliminer les défauts des cristaux. Le but ultime est de créer une couche entière pour un élément à partir d'un réseau cristallin idéal. Les chercheurs du MIT ont récemment fait de grands progrès sur cette question. Ils ont découvert comment "guérir" les défauts d'un film fabriqué à partir d'une pérovskite spécifique en l'irradiant avec de la lumière. Cette méthode est bien meilleure que les méthodes précédentes, notamment les bains chimiques ou le courant électrique, en raison de l'absence de contact avec le film.

On ne sait pas encore si les pérovskites entraîneront une révolution du coût ou de l'efficacité des panneaux solaires. Les fabriquer est facile, mais jusqu'à présent, ils se séparent trop rapidement.

De nombreux chercheurs tentent de résoudre le problème de la décomposition. Une étude conjointe des Chinois et des Suisses a conduit à une nouvelle méthode de formation d'une cellule à partir de pérovskite, éliminant le besoin de mouvement de trou. Étant donné que c'est la couche de conduction des trous qui se dégrade, le matériau devrait être beaucoup plus stable.


Cellules solaires en pérovskite à base d'étain

Un récent rapport du laboratoire de Berkeley décrit comment les pérovskites peuvent un jour atteindre une limite d'efficacité théorique de 31%, tout en restant moins chères à fabriquer que le silicium. Les chercheurs ont mesuré l'efficacité de conversion de diverses surfaces granulaires à l'aide de la microscopie atomique, qui mesure la photoconductivité. Ils ont constaté que différents visages ont des efficacités très différentes. Maintenant, les chercheurs pensent qu'ils peuvent trouver un moyen de produire un film sur lequel seuls les visages les plus efficaces seront connectés aux électrodes. Cela peut conduire la cellule à atteindre une efficacité de 31%. Si cela fonctionne, ce sera une percée technologique révolutionnaire.

Autres domaines de recherche

Il est possible de fabriquer des panneaux multicouches, car la bande interdite peut être ajustée en changeant les additifs. Chaque couche peut être réglée sur une longueur d'onde spécifique. De telles cellules peuvent théoriquement atteindre une efficacité de 40%, mais restent jusqu'à présent coûteuses. En conséquence, ils sont plus faciles à trouver sur le satellite de la NASA que sur le toit de la maison.

Dans une étude réalisée par des scientifiques d'Oxford et de l'Institut du silicium photovoltaïque de Berlin, la multicouche a été combinée avec des pérovskites. Travaillant sur le problème de la dégradabilité du matériau, l'équipe a ouvert la possibilité de créer de la pérovskite avec une bande interdite réglable. Ils ont réussi à fabriquer une version de la cellule avec une bande passante de 1,74 eV, ce qui est presque idéal pour la fabrication couplée à une couche de silicium. Cela peut conduire à la création de cellules peu coûteuses avec une efficacité de 30%.

Un groupe de l'Université de Notre Dame a développé une peinture photovoltaïque à base de nanoparticules semi-conductrices. Ce matériau n'est pas encore assez efficace pour remplacer les panneaux solaires, mais il est plus facile à produire. Parmi les avantages, il y a la possibilité d'appliquer sur différentes surfaces. En potentiel, il sera plus facile à utiliser que les panneaux rigides qui doivent être montés sur le toit.

Il y a quelques années, une équipe du MIT a progressé dans la création de combustible solaire thermique. Une telle substance peut stocker l'énergie solaire en elle-même pendant une longue période, puis la distribuer à la demande lors de l'utilisation d'un catalyseur ou d'un chauffage. Le carburant y parvient grâce à une conversion non réactive de ses molécules. En réponse au rayonnement solaire, les molécules sont converties en photoisomères: la formule chimique est la même, mais la forme change. L'énergie solaire est stockée sous forme d'énergie supplémentaire dans les liaisons intermoléculaires de l'isomère, qui peut être représentée comme un état énergétique supérieur de la molécule d'origine. Après avoir commencé la réaction, les molécules reviennent à leur état d'origine, transformant l'énergie stockée en chaleur. La chaleur peut être utilisée directement ou convertie en électricité. Cette idée élimine potentiellement le besoin de piles. Le carburant peut être transporté et utiliser l'énergie reçue ailleurs.

Après la publication des travaux du MIT, qui utilisait du fulvalen diruthénium , certains laboratoires tentent de résoudre les problèmes de production et de coût des matériaux, et développent un système dans lequel le carburant sera suffisamment stable à l'état chargé et capable de se "recharger" pour pouvoir être utilisé à plusieurs reprises. Il y a seulement deux ans, les mêmes scientifiques du MIT ont créé du carburant solaire qui pouvait tester au moins 2 000 cycles de charge / décharge sans dégradation apparente des performances.

L'innovation était de combiner le carburant (c'était l'azobenzène) avec des nanotubes de carbone. En conséquence, ses molécules se sont alignées d'une certaine manière. Le carburant résultant avait une efficacité de 14% et une densité d'énergie similaire à celle d'une batterie au plomb.


Nanoparticules de sulfure de cuivre-zinc-étain

Dans les travaux plus récents, le carburant solaire a été fabriqué sous la forme de films transparents qui peuvent être picorés sur le pare-brise d'une voiture. La nuit, les films font fondre la glace grâce à l'énergie gagnée pendant la journée. La rapidité des progrès dans ce domaine ne fait aucun doute que le combustible solaire thermique sera bientôt transféré des laboratoires au domaine des technologies familières.

Une autre façon de créer du carburant directement à partir de la lumière du soleil (photosynthèse artificielle) est développée par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago. Leurs «feuilles artificielles» utilisent la lumière du soleil pour transformer le dioxyde de carbone atmosphérique en «gaz de synthèse», un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone. Le gaz de synthèse peut être brûlé ou converti en combustibles plus conventionnels. Le processus aide à éliminer l'excès de CO ₂ de l'atmosphère.

L'équipe de Stanford a créé un prototype de cellule solaire utilisant des nanotubes de carbone et des fullerènes au lieu du silicium. Leur efficacité est bien inférieure à celle des panneaux commerciaux, mais seul le carbone est utilisé pour les créer. Il n'y a pas de matériaux toxiques dans le prototype. Il s'agit d'une alternative plus verte au silicium, mais il doit travailler sur l'efficacité pour obtenir des avantages économiques.

La recherche se poursuit sur d'autres matériaux et technologies de production. Un domaine de recherche prometteur comprend les monocouches, les matériaux avec une seule couche épaisse de molécule (comme le graphène). Bien que l'efficacité photovoltaïque absolue de ces matériaux soit faible, leur efficacité par unité de masse dépasse mille fois les panneaux de silicium habituels.

D'autres chercheurs tentent de fabriquer des cellules solaires avec une gamme intermédiaire. L'idée est de créer un matériau avec une nanostructure ou un alliage spécial dans lequel les photons peuvent travailler avec une énergie insuffisante pour surmonter la bande interdite habituelle. Dans un tel matériau, une paire de photons de faible énergie peut assommer un électron, ce qui ne peut pas être réalisé dans des dispositifs à semi-conducteurs conventionnels. Potentiellement, ces appareils seront plus efficaces, car ils utilisent une plus grande gamme de longueurs d'onde.

La variété des domaines de recherche des éléments et matériaux photovoltaïques, et les progrès rapides et constants depuis l'invention de l'élément en silicium en 1954, inspirent la confiance que l'enthousiasme pour l'adoption de l'énergie solaire continuera non seulement, mais augmentera.

Et ces études arrivent juste à temps. Dans une méta-étude récente, il a été démontré que l'énergie solaire dépassait le pétrole et le gaz en termes de rapport entre l'énergie reçue et l'énergie consommée, ou en termes d'efficacité énergétique. Il s'agit d'un tournant important.

Il ne fait aucun doute que l'énergie solaire deviendra ainsi une forme d'énergie importante, sinon dominante, tant dans l'industrie que dans le secteur privé. On espère que la réduction du besoin de brûler des combustibles fossiles se produira avant que le changement climatique mondial irréversible ne se produise.