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Des vitres photovoltaïques à base de silicium : le solaire à la portée de tous - Par : Hanen Hattab,

Des vitres photovoltaïques à base de silicium : le solaire à la portée de tous


Hanen Hattab
Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

Le surcoût des équipements des bâtiments à énergie positive décourage autant les entrepreneurs que les particuliers. Cet article s’intéresse à une technologie qui contribuera à répandre la production d’électricité solaire au moyen de vitres photovoltaïques, ce qui était considéré jusqu’aujourd’hui comme étant trop cher. Un groupe de chercheurs de l’Université du Minnesota et de l’Université de Milano-Bicocca a réussi à créer des vitres solaires plus abordables. Coécrite par Francesco Meinardi, Samantha Ehrenberg, Lorena Dhamo, Francesco Carulli, Michele Mauri, Francesco Bruni, Roberto Simonutti, Uwe Kortshagen et Sergio Brovelli, l’étude intitulée « Highly efficient luminescent solar concentrators based on earth-abundant indirect-bandgap silicon quantum dots » a été publiée dans le journal Nature Photonics le 20 février 2017.

Les technologies des vitres photovoltaïques

Les chercheurs ont développé une technologie qui permet de créer des concentrateurs solaires luminescents (LSC) à base de nanoparticules de silicium. Les LSC sont des dispositifs qui servent à concentrer les radiations solaires avant de les diriger vers des panneaux photovoltaïques, et ce, afin de profiter au mieux de la quantité de lumière qui atteint la surface de la vitre. La technologie des vitres solaires, lancée par Nihon Telecommunication Systems en 2011, représente depuis son apparition sur le marché une solution de rechange aux panneaux photovoltaïques, fort appréciée pour ses avantages économiques et esthétiques. Or pouvoir recueillir la lumière solaire sur de plus grandes surfaces architecturales s’est très vite avéré non rentable à cause du coût de revient des vitres par rapport à leur rendement énergétique. Depuis, plusieurs recherches ont été menées afin d’améliorer ce concept. Le recours aux LCS a optimisé considérablement le rendement des fenêtres sans être tout à fait satisfaisant parce que cela réduisait la transparence des vitres. Ce problème a été par la suite résolu par des chercheurs de l’Université du Michigan en créant, en 2014, un nouveau type de concentrateur solaire transparent. Par ailleurs, pour que cette source d’énergie puisse être qualifiée de 100 % verte, il faudrait que les matériaux utilisés soient écoresponsables, ce qui n’est pas le cas des produits développés jusqu’à aujourd’hui.

Procédés de fabrication des concentrateurs solaires luminescents (LCS)

Les premières vitres photovoltaïques transparentes

Des concentrateurs solaires luminescents écoresponsables

Jusqu’à récemment, les meilleurs résultats avaient été obtenus en utilisant des LSC aux nanostructures relativement complexes, composées soit d’éléments potentiellement toxiques, tels que le cadmium ou le plomb, soit de substances rares comme l’indium, qui est déjà massivement utilisé dans d’autres industries. Les chercheurs de l’Université du Minnesota ont choisi le silicium parce qu’il est abondant dans l’environnement et non toxique. Il fonctionne aussi plus efficacement en absorbant plus de lumière qu’il n’en émet à différentes longueurs d’onde. Cependant, le silicium, dans sa forme régulière, n’émet pas de luminescence, la propriété optique indispensable au transfert de l’énergie solaire aux cellules photovoltaïques. Pour doter le silicium de cette capacité, les chercheurs ont réduit sa taille à quelques nanomètres, soit environ un dix millième du diamètre du cheveu humain. À cette échelle, le silicium acquiert de nouvelles propriétés. En outre, il devient un émetteur de lumière très efficace, car il ne réabsorbe pas sa propre luminescence. Étant donné que la luminescence augmente le rendement du LSC, l’objectif principal de cette étude a été de concevoir un processus de fabrication de LSC à base de nanoparticules de silicium.

Le silicium est réduit en particules grâce à un procédé technologique utilisant le réacteur plasma. La poudre est transformée en une solution analogue à l’encre. Elle est ensuite incorporée dans un polymère qui peut servir à former une feuille de matière plastique souple ou à revêtir une surface d’un film mince. Les caractéristiques optiques des nanoparticules de silicium ont permis d’augmenter de 5 % la captation de l’énergie solaire et ont réduit aussi le coût de revient des vitres photovoltaïques. L’Université du Minnesota a inventé le processus de création de nanoparticules de silicium il y a une douzaine d’années et détient un certain nombre de brevets sur cette technologie.

La synthèse de la silicone par le réacteur plasma

La rencontre entre Uwe Kortshagen, professeur d’ingénierie mécanique au collège de science et ingénierie de l’université de Minnesota, et Sergio Brovelli, professeur de physique à l’Université de Milano-Bicocca et expert en fabrication de LSC, pour travailler ensemble sur la conception de cette nouvelle vitre a eu lieu en 2015. Le potentiel des nanoparticules de silicium pour cette technologie a été immédiatement approuvé et leur partenariat est né.

La recherche a été financée par l’U.S. Department of Energy (DOE), l’Office of Basic Science Center for Advanced Solar Photophysics, l’Energy Frontier Research Center, l’European Community’s Seventh Framework Programme et la National Science Foundation (NSF).

Hanen Hattab

Profil de l'auteur(e)

Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

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