FULLSPECTRUM capte tous les rayons du soleil

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FULLSPECTRUM
Les scientifiques du projet européen FULLSPECTRUM («A new PV wave making more efficient use of the solar spectrum») ont mis au point des cellules solaires d’un très haut rendement. Elles sont actuellement en cours d’essai à l’échelle industrielle, dans de grandes centrales pilotes, et ouvrent la voie à une énergie solaire moins coûteuse, en Europe et ailleurs.

FULLSPECTRUM rassemble 19 partenaires, des universitaires et des industriels issus de 7 États membres de l’UE ainsi que de Russie et de Suisse. L’objectif du projet est de mettre au point des cellules photovoltaïques capables de convertir toute l’énergie solaire en électricité propre.

Une énergie propre pour une planète propre

L’utilisation des combustibles fossiles rejette dans l’atmosphère du gaz carbonique en grande quantité, qui contribue à l’effet de serre. D’autre part, l’augmentation du coût de l’énergie et le souci de la sécurité de l’approvisionnement font que les pays de l’UE sont de plus en plus réticents à l’idée de dépendre de l’importation de sources d’énergie.

EN SAVOIR PLUS

C’est dans ce contexte que l’UE s’est fixé l’objectif de produire 20 % de son énergie d’ici 2020 à partir de sources renouvelables telles que l’énergie solaire, éolienne, houlomotrice et hydraulique. Aujourd’hui, ces énergies ne représentent que 8,5 % de la production totale. Il est clair que le solaire a un rôle important à jouer pour aider l’Europe à atteindre ses objectifs en matière d’énergies renouvelables. Cependant, la production d’électricité par des cellules photovoltaïques revient beaucoup plus cher que par des moyens plus conventionnels.

L’une des raisons de ce coût est le faible rendement énergétique des cellules actuelles: les plus efficaces ne convertissent que 24% de l’énergie solaire, et la plupart des panneaux solaires du commerce atteignent à peine 17%. Le principal problème de ces cellules classiques est qu’elles ne convertissent qu’une partie étroite du spectre solaire en énergie. En conséquence, FULLSPECTRUM s’attache à mettre au point des cellules capables de capter et de convertir la totalité du spectre. Les cellules créées dans le cadre du projet atteignent déjà un taux de rendement encourageant de 39,7 %.

Le photovoltaïque en quelques mots

Les panneaux photovoltaïques (PV) classiques sont composés de plusieurs «cellules» individuelles, faites d’un matériau semi-conducteur, en général du silicium. Lorsque les photons frappent la cellule, leur énergie est transférée aux électrons des atomes de la cellule. Cette énergie libère les électrons de leurs atomes, ce qui se traduit par un courant électrique.

Mais les cellules actuelles ne captent qu’une faible partie de l’énergie solaire. Cela tient en partie à la structure en bandes des niveaux d’énergie des électrons, et notamment à l’intervalle de bande. Cet intervalle de bande correspond au niveau minimal d’énergie pour libérer un électron de son atome. Ce niveau dépend de chaque matériau. Dans le cas d’une cellule PV en silicium, les photons qui ont une énergie inférieure à celle de l’intervalle de bande du silicium ne sont tout simplement pas absorbés. D’un autre côté, le surplus d’énergie des photons qui dépassent l’intervalle de bande est tout simplement perdu.

Franchir le mur du rendement: un record européen!

FULLSPECTRUM a innové avec des cellules solaires à jonctions multiples, qui utilisent mieux la totalité du spectre solaire. Cette technologie empile des couches de différents matériaux (notamment le gallium, le phosphore, l’indium et le germanium), dont l’énergie de l’intervalle de bande est différente. Les photons qui ne sont pas absorbés par les cellules au sommet de la pile le seront par celles situées en dessous.

Les tests ont montré que ces cellules peuvent convertir en électricité plus de 37,6% de l’énergie solaire, un record pour l’Europe. Ces cellules reviennent très cher, mais leur coût peut être considérablement réduit en les intégrant dans des panneaux spéciaux équipés de lentilles qui focalisent le maximum d’énergie solaire sur les cellules.

L’amélioration du rendement des cellules permet de réduire la surface de panneaux nécessaire pour obtenir la même puissance, ce qui est un avantage considérable par rapport aux cellules classiques au silicium. Les partenaires du projet pensent que davantage de travaux de recherche et de développement permettraient d’atteindre un rendement de 50%. Au vu des limitations des cellules au silicium, ils pensent que leurs cellules à jonctions multiples pourraient finir par dominer le marché.

La technologie est au banc d’essai à l’échelle industrielle, dans le tout nouvel Institut des systèmes photovoltaïques à concentration (ISFOC) de la région Castille-La Manche en Espagne. Certains partenaires industriels de FULLSPECTRUM disposent d’installations dans cet institut. Avec ces centrales de démonstration, ils visent à recueillir de précieuses informations sur la fiabilité, l’adéquation et le rendement de cette nouvelle technologie de concentration PV.

Les partenaires du projet FULLSPECTRUM ont à leur actif une autre réussite, avec la toute première preuve d’un effet de «bande intermédiaire ». Cet effet concerne l’absorption de photons à trois niveaux d’énergie différents, correspondant à trois intervalles de bande différents. En d’autres termes, cet effet permet au système de capturer ces photons de plus basse énergie, qui traversent les cellules solaires classiques et sont perdus.

À plus long terme, les cellules à bande intermédiaires pourraient remplacer les cellules à jonctions multiples, à haut rendement mais complexes. Cette réalisation a soulevé l’intérêt au niveau mondial, et des dizaines de laboratoires sont maintenant à l’oeuvre sur ce sujet.

Vers un futur ensoleillé

Les progrès réalisés par le projet sur ces nouveaux concepts photovoltaïques ne sont pas passés inaperçus, et des programmes de recherche, dans des pays aussi lointains que les États-Unis ou le Japon, se sont inspirés au moins partiellement de FULLSPECTRUM. Antonio Luque, de l’institut de l’énergie solaire à l’université polytechnique de Madrid, en Espagne, est le coordinateur du projet. Il se veut optimiste quant aux retombées du projet.

«Ces résultats permettront d’augmenter considérablement le rendement des cellules solaires et mèneront à une réduction des coûts de l’énergie solaire à long terme», déclare-t-il. «En installant à grande échelle des panneaux photovoltaïques plus compétitifs, l’Europe pourra produire de l’électricité propre et réduire sa dépendance envers les importations d’énergie.»