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La cellule solaire la plus efficace jamais inventée ! L'efficacité de la conversion énergétique dépasse 47,1 %

Peut 10, 2023

Récemment, le National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis a mis au point les cellules solaires les plus efficaces au monde, avec une efficacité de conversion énergétique maximale de 47,1 %. Bien que ces records d'efficacité soient souvent battus, la cellule solaire à efficacité de conversion de 47,1 % peut actuellement être qualifiée de cellule solaire la plus efficace au monde. Les derniers résultats de recherche ont été publiés sur Nature Energy le 13 avril.


Les cellules solaires continuent de progresser sur la voie de l'amélioration de leur efficacité de conversion, et la bonne combinaison de matériaux peut améliorer la capacité des cellules solaires à convertir la lumière du soleil en électricité. John Geisz, le scientifique principal de l'équipe de cellules photovoltaïques à cristaux à haut rendement du NREL, a déclaré: "Ce nouveau dispositif démontre l'énorme potentiel des cellules solaires à jonctions multiples."


Les cellules solaires à jonctions multiples sont un type de cellules solaires à haut rendement. Chaque cellule a plusieurs films minces fabriqués par épitaxie par faisceau moléculaire ou dépôt chimique en phase vapeur de métal organique, et ces différents semi-conducteurs avec différentes bandes interdites caractéristiques peuvent absorber l'énergie de fréquences spécifiques d'ondes électromagnétiques dans le spectre.


Jusqu'à présent, la recherche a prouvé que le silicium est l'étalon-or pour l'efficacité des cellules solaires, et l'efficacité des cellules solaires à jonction unique qui n'utilisent que du silicium a actuellement le rendement le plus élevé de 33 %. La limite d'efficacité de 33 % peut être dépassée en changeant de matériaux, en ajoutant plus de points nodaux et en mettant en œuvre une série de technologies d'ingénierie entre les deux nœuds. Par exemple, l'efficacité de conversion de certaines cellules solaires à trois jonctions peut dépasser 45 % sous la concentration de la lumière du soleil.


La cellule solaire nouvellement développée par NREL est une structure à six jonctions de type III-V, où "III-V" fait référence à la position de l'élément d'absorption de la lumière sur le tableau périodique, et les matériaux III-V ont une large gamme d'absorption de la lumière caractéristiques. Chacun des six points de connexion de la cellule a été conçu spécifiquement et est composé de six types différents de couches photoactives capables de capter la lumière de parties spécifiques du spectre solaire.

Grâce à l'ingénierie moderne et à la nanotechnologie, l'appareil contient environ 140 couches de différentes couches de matériaux III-V au total pour soutenir les performances de ces points de connexion, mais sa largeur n'est que d'un tiers d'un cheveu humain.


Pour explorer les performances de cette cellule solaire à six jonctions de type III-V, les scientifiques du NERL l'ont testée avec une lumière concentrée, qui était 143 fois supérieure à l'intensité de la lumière naturelle du soleil. Les résultats des tests ont montré que leur nouvelle cellule solaire avait une efficacité de conversion record de 47,1 % sous une lumière concentrée.


Bien que le test ait été effectué sous une lumière concentrée, ce qui correspond à une efficacité inférieure à ce qui peut être réellement atteint en pratique, l'équipe a déclaré qu'un dispositif qui concentre la lumière du soleil sur la cellule peut être construit à l'aide de réflecteurs. L'équipe a également testé ce nouveau type de cellule avec une exposition normale au soleil, et son efficacité de conversion atteint tout de même 39,2 %. Bien que l'efficacité de conversion de 39,2 % puisse sembler non exceptionnelle, elle a tout de même établi un nouveau record mondial d'efficacité de conversion en cas d'exposition au soleil.


Pour franchir la limite d'efficacité de 50%, le principal obstacle est de réduire la résistance interne qui entrave la circulation du courant dans la cellule solaire, selon John Geisz de NREL.


L'importance de cette recherche est que la différence d'efficacité de conversion en lumière solaire normale et en lumière concentrée indique l'existence possible d'un moyen économique de déployer ces cellules solaires de type III-V à six jonctions. En utilisant des miroirs qui concentrent la lumière sur les nouvelles cellules solaires, qui sont relativement peu coûteux, il est possible de réduire considérablement le coût d'utilisation de cette technologie. Avec la concentration, moins de semi-conducteurs seront utilisés. Dans le même temps, la concentration de la lumière solaire peut également améliorer l'efficacité de la cellule.


Selon Ryan France, l'un des co-développeurs de la cellule multi-jonctions et scientifique au NREL, il est tout à fait possible de dépasser le potentiel d'efficacité des cellules solaires au-delà de 50 %. En fait, obtenir le même effet peut finalement ne nécessiter que l'ordre de grandeur des matériaux semi-conducteurs d'origine ou même 1/1000 par rapport aux matériaux utilisés dans la recherche NREL. Cela rendrait la production d'énergie solaire plus abordable pour tout le monde.


En outre, cette percée dans la technologie des cellules solaires pourrait également avoir des impacts positifs sur d'autres industries, telles que l'aérospatiale, où des cellules solaires à haut rendement pourraient être utilisées pour alimenter les engins spatiaux.


Dans l'ensemble, le développement des cellules solaires les plus efficaces au monde par le NREL est une avancée significative dans l'industrie des énergies renouvelables. Avec le potentiel de dépasser la limite d'efficacité de 50 %, l'avenir de l'énergie solaire semble plus prometteur que jamais.


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