L’énergie solaire est l’une des clés de la transition verte initiée par de nombreux pays face au changement climatique. Cependant, l’un des principaux « problèmes », comme son nom l’indique, est que le panneau solaire fonctionne avec la lumière émise par le soleil. La nuit, sans électricité, aucune électricité n’est générée. Les scientifiques s’intéressent donc à résoudre ce problème depuis des années et ont théorisé une solution, mais ne l’ont pas encore mise en pratique. Maintenant, cela est fait par un groupe de chercheurs australiens. Ils ont récemment réalisé et quantifié l’énergie générée par un nouveau type de cellule thermophotovoltaïque basée sur une diode thermoradiative à partir de la chaleur reradiée par la Terre pendant la nuit. Plus précisément, l’appareil convertit le rayonnement infrarouge émis par la Terre en électricité : l’envers d’un panneau solaire standard est une conversion qui va de la Terre vers l’espace, et non plus de l’espace (le Soleil) vers la Terre. Cette percée pourrait révolutionner le secteur des énergies vertes en ces temps de crise.
Traditionnellement, le fonctionnement des panneaux solaires repose sur un élément de base : une cellule photovoltaïque. Ces petits carrés, qui forment des modules photovoltaïques, sont capables de convertir la lumière du soleil en électricité, en partie grâce au silicium, le matériau le plus couramment utilisé. Lorsque des électrons de silicium entrent en contact avec des photons (particules de lumière solaire), ils sont mis en mouvement. Pour qu’ils circulent de manière à créer un courant électrique, il faut placer un pôle positif et un pôle négatif. Pour ce faire, le silicium est lié au bore pour le pôle positif, et au phosphore pour le pôle négatif, qui est la face tournée vers le soleil. Grâce à ce système, les électrons se déplacent naturellement entre les deux pôles et créent un courant électrique.
En 2020, dans la revue ACS Photonics, des chercheurs américains décrivaient comment appliquer ce processus fondamental, mais en sens inverse. Cependant, aucune preuve n’a encore été publiée, car le système n’a pas encore été lancé. Plus tôt cette année, des scientifiques de l’Université de Stanford ont utilisé le même principe pour modifier des panneaux solaires commerciaux et générer 50 milliwatts par mètre carré la nuit.
Dans cette continuité, des recherches innovantes menées par une équipe de l’Université de New South Wales à Sydney montrent que la chaleur infrarouge rayonnante de la Terre peut être utilisée pour générer de l’électricité même après le coucher du soleil grâce à un nouveau type de cellule thermophotovoltaïque. Ces résultats prometteurs sont publiés dans la revue ACS Photonics.
Chaleur infrarouge et énergie de thermoradiation
Pour obtenir un système d’exploitation qui fonctionne dans l’obscurité, les chercheurs ont développé un dispositif à semi-conducteur appelé une diode à rayonnement thermique. Il est fabriqué à partir de matériaux couramment utilisés dans les lunettes de vision nocturne : le tellurure de mercure-cadmium (MCT).
Sur la droite se trouve un schéma d’une diode à émission thermique. A gauche une photo de la diode utilisée. © Michael P. Nielsen et al. 2022.
Le professeur agrégé Ned Ekins-Dawkes, chef d’équipe, explique dans un communiqué : « En utilisant des caméras thermiques, vous pouvez voir la quantité de rayonnement la nuit, mais uniquement dans les longueurs d’onde infrarouges et non visibles. Ce que nous avons fait, c’est fabriquer un appareil capable de générer de l’énergie électrique en émettant un rayonnement thermique infrarouge. Les nouveaux résultats de l’UNSW s’appuient sur les travaux antérieurs du groupe, dans lesquels le co-auteur Andreas Pusch a développé un modèle mathématique qui a aidé à mener leurs expériences en laboratoire.
L’équipe « nuit ensoleillée » de l’UNSW photographiée avec une caméra infrarouge. Ils ont utilisé le même type de technologie de semi-conducteur pour générer de l’énergie avec une diode électroluminescente thermique. © Université de Nouvelle-Galles du Sud
L’énergie solaire frappe la Terre pendant la journée sous forme de lumière et réchauffe la planète. La nuit, cette même énergie est rayonnée dans l’espace sous forme de lumière infrarouge. En effet, un objet chaud émet de la chaleur sous forme de lumière infrarouge sur un objet froid. C’est ainsi qu’un panneau solaire, étant plus froid que le soleil, absorbe sa lumière et la convertit en électricité. La nuit, il fait beaucoup plus froid dans l’espace que sur Terre, donc la chaleur est rayonnée de la Terre vers l’espace, une cellule thermophotovoltaïque la capte et la convertit en énergie. Il s’agit d’un processus thermoradiatif, à l’opposé du photovoltaïque classique (pour faire simple).
Le Dr Phoebe Pierce, l’un des co-auteurs de l’article, déclare : « Le photovoltaïque, la conversion directe de la lumière du soleil en électricité, est un processus artificiel développé par l’homme pour convertir l’énergie solaire en électricité. En ce sens, le processus de thermoradiation est similaire ; nous détournons l’énergie circulant dans l’infrarouge de la terre chaude vers l’univers froid. Dans les deux cas, c’est la différence de température entre les deux milieux qui génère l’énergie.
Plus précisément, avec une différence de température de seulement 12,5°C, les auteurs ont mesuré une densité de puissance électrique rayonnante thermique de 2,26 mW par m² pour une diode. Cette puissance de sortie n’est pas élevée, mais ils estiment que leur technologie pourrait éventuellement produire environ un dixième de la puissance d’une cellule solaire moderne.
La percée de l’équipe de l’UNSW est une confirmation d’un processus auparavant théorique grâce à une diode à rayonnement thermique. C’est la première étape vers la création d’appareils spécialisés et beaucoup plus efficaces qui pourront un jour capter l’énergie à une échelle beaucoup plus grande. Cette méthode peut être associée à des panneaux solaires modernes qui assurent une production d’énergie continue. De plus, la nuit, lorsque la demande d’énergie diminue, la moindre efficacité de la diode n’est pas un obstacle sérieux.
Demandes non publiées
L’équipe pense que leur technologie peut être utilisée pour générer de l’électricité dans des situations qui ne sont actuellement pas possibles. En effet, il est théoriquement possible d’utiliser n’importe quelle source de chaleur par rayonnement infrarouge. Le professeur Ekins-Dawks déclare : « En principe, nous ne pouvons générer de l’énergie que de la manière que nous avons démontrée à partir de la chaleur corporelle, que vous pouvez voir briller si vous regardez dans une caméra thermique. »
Cette récupération d’énergie à partir de la chaleur corporelle ne pourra bien sûr pas alimenter une maison, mais elle pourra permettre de se passer de piles pour certains appareils électroniques portables. Cependant, comme le notent les auteurs, cette technologie nécessite encore plusieurs décennies de recherche et développement avant d’obtenir des performances suffisantes et de lancer un processus industriel. Ils croient également que l’industrie devrait prendre les mesures suivantes pour lever les fonds nécessaires à la production. Vous devez encore la convaincre.
Cependant, en testant les limites de chaque méthode basée sur le procédé de thermoradiation et en améliorant leur capacité à absorber la majeure partie de l’infrarouge, il sera certainement possible de proposer des technologies capables d’extraire chaque unité d’énergie de presque tous les types de déchets. Chauffer.
Les auteurs concluent : « En utilisant nos connaissances sur la conception et l’optimisation des cellules solaires, et en empruntant les contributions de la communauté existante des photodétecteurs à infrarouge moyen, nous espérons faire des progrès rapides vers la réalisation du rêve énergétique.
