L’institut allemand Fraunhofer affirme avoir atteint un rendement de conversion de la lumière en électricité de 68,9% avec une cellule photovoltaïque frappée par une lumière laser monochromatique.

Le photovoltaïque est surtout connu pour convertir la lumière en électricité grâce à des systèmes installés en toiture et au sol. Mais les dispositifs photovoltaïques peuvent également être utilisés avec la lumière laser pour une transmission efficace de l’énergie.

L’effet photovoltaïque

Qu’est-ce que l’effet photovoltaïque découvert par le Français Edmond Becquerel ? Ce mot vient du grec ancien photo qui signifie lumière, et de Volta, nom du chimiste lombard qui a aussi laissé son nom à l’unité internationale de la tension électrique, le Volt. 

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La lumière entrante est absorbée dans une structure à base de matériaux semi-conducteurs, des corps solides dont la conductivité électrique se situe entre celle des métaux et celle des isolants. La lumière absorbée libère des charges positives et négatives, qui sont conduites vers les contacts avant et arrière des cellules, générant alors une tension électrique. Les plantes sont, elles aussi, capables de tirer profit de l’énergie solaire grâce à un processus appelé photosynthèse, mais en la convertissant en énergie chimique. 

« 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 » rappellent les chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire (ISE) dans un communiqué. « Ainsi, des rendements très élevés sont théoriquement possibles lorsqu’un laser monochromatique comme source lumineuse est associé à un matériau semi-conducteur approprié ».  

Monochromatique – qui ne contient qu’une fréquence ou une longueur d’onde déterminée – s’oppose à polychromatique, comme par exemple la lumière solaire décomposée dans l’arc en ciel. Du grec ancien khrôma signifiant couleur.

Des semi-conducteurs à base d’arséniure de gallium

Lors de la 48e conférence des spécialistes du photovoltaïque de l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, en français « l’Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens ») fin juin 2021, les chercheurs de l’Institut Fraunhofer ont expliqué comment ils ont pu obtenir un rendement de conversion record de 68,9 % avec une cellule photovoltaïque sous lumière laser monochromatique.  

Il s’agit d’une cellule à base d’arséniure de gallium (GaAs) exposée à une lumière laser de 858 nanomètres. Selon les scientifiques, « ce succès a été rendu possible grâce à une technologie spéciale de couche mince dans laquelle les couches de cellules solaires sont d’abord développées sur un substrat d’arséniure de gallium qui est ensuite enlevé. 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 ».

Cristal d’arséniure de gallium

Un résultat impressionnant

Le professeur Andreas Bett, directeur de l’Institut Fraunhofer ISE, s’est enthousiasmé : « C’est un résultat impressionnant qui montre le potentiel du photovoltaïque pour des applications industrielles au-delà de la production d’énergie solaire ». Parmi les applications possibles : le monitoring des éoliennes, la surveillance de lignes à haute tension, les jauges de carburant dans les réservoirs d’avions, l’alimentation optique d’implants depuis l’extérieur du corps, ou encore une alimentation sans fil pour des applications dans l’Internet des Objets (IoT).

Les rendements de conversion de la lumière solaire

Pour ce qui concerne la conversion photovoltaïque de la lumière solaire, le National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis a annoncé l’année dernière un rendement de 32,9% pour un dispositif à cellules en tandem. D’autres chercheurs de l’Institut Fraunhofer ISE ont mis au point en avril 2021 une cellule solaire monolithique à jonctions multiples en matériaux III-V sur substrat silicium qui affiche un rendement de conversion record de 35,9%. 

Des chercheurs de l’Université de Tampere en Finlande ont récemment mis au point une cellule solaire multijonction III-V qui aurait le potentiel d’atteindre un rendement de conversion d’énergie de près de 50 %. 

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