Les concentrateurs solaires en forme de feuille promettent une amélioration majeure de l’efficacité solaire

Depuis son invention dans les années 1970, le concentrateur solaire luminescent (LSC) vise à améliorer la capture de l’énergie solaire en utilisant des matériaux luminescents pour convertir et concentrer la lumière du soleil sur des cellules photovoltaïques (PV). Contrairement aux concentrateurs traditionnels qui s’appuient sur des miroirs et des lentilles, les LSC peuvent capter la lumière diffuse et ont été utilisés dans des applications telles que le photovoltaïque intégré aux bâtiments, où leur nature semi-transparente et colorée offre des avantages esthétiques.

Cependant, la mise à l’échelle des LSC pour couvrir de grandes surfaces s’est avérée difficile en raison de problèmes tels que l’auto-absorption des photons photoluminescents (PL) dans le guide d’ondes. Des chercheurs de l’Université Ritsumeikan (Japon) ont proposé un modèle innovant de « LSC en feuille » qui promet de surmonter ces limitations en améliorant la collecte et le transfert de lumière vers les cellules photovoltaïques. La conception du LSC en feuille résout le problème de l’évolutivité en utilisant des composants luminescents plus petits et interconnectés qui fonctionnent comme des feuilles sur un arbre.

Comme indiqué dans le Journal de la photonique pour l’énergie (JPE), ce dispositif innovant consiste à placer des plaques luminescentes autour d’une fibre luminescente centrale, les côtés des plaques étant tournés vers la fibre.

Cette disposition permet aux photons incidents d’être convertis en photons PL par les plaques, qui traversent ensuite la fibre et sont collectés à son extrémité par une cellule PV. Pour améliorer l’efficacité, des guides de lumière transparents connectent plusieurs fibres à une seule cellule PV, augmentant ainsi efficacement la zone incidente du LSC tout en réduisant les pertes de photons dues à l’auto-absorption et à la diffusion.

Cette approche modulaire de la conception des LSC offre plusieurs avantages. En réduisant la taille latérale des modules individuels, les chercheurs ont constaté que l’efficacité de la collecte des photons s’améliorait. Par exemple, la réduction de la longueur latérale d’un LSC à feuille carrée de 50 mm à 10 mm a considérablement augmenté l’efficacité de la collecte des photons. La conception modulaire permet également de remplacer facilement les unités endommagées et d’intégrer des matériaux luminescents avancés dès qu’ils sont disponibles.

Pour améliorer encore l’efficacité du système, les chercheurs ont intégré des techniques issues des LSC planaires traditionnels, comme les miroirs de bord et les structures en tandem, dans la conception des LSC en feuille. Leurs expériences ont démontré que l’efficacité optique de ces structures en forme de feuille peut être calculée analytiquement en fonction du spectre et de l’intensité de la lumière incidente, à l’aide d’une technique d’excitation à point unique.

Selon JPE Sean Shaheen, rédacteur en chef, professeur d’ingénierie et de physique à l’université du Colorado à Boulder et membre du Renewable and Sustainable Energy Institute, a déclaré : « Ces résultats démontrent une approche créative qui fait progresser le concept de concentrateurs solaires luminescents pour guider efficacement la lumière du soleil vers les dispositifs photovoltaïques adjacents. En combinant des conceptions évolutives et bio-inspirées avec des améliorations de l’ingénierie optique, les auteurs ont augmenté l’efficacité de leurs dispositifs vers ce qui est nécessaire pour une utilisation pratique. »

L’optimisation de la collecte de photons dans les LSC pourrait ouvrir la voie à des solutions d’énergie solaire plus flexibles et évolutives. Cette approche de la récupération d’énergie pourrait révolutionner l’application des concentrateurs solaires, les rendant plus efficaces et adaptables à diverses utilisations, des installations à grande échelle aux systèmes intégrés aux bâtiments. À mesure que la technologie progresse, elle promet d’améliorer considérablement les performances des systèmes d’énergie solaire et de contribuer à des solutions énergétiques plus durables.