L’énergie solaire est un candidat populaire pour une alternative durable aux combustibles fossiles. Une cellule solaire, ou cellule photovoltaïque (PV), convertit directement la lumière du soleil en électricité. Cependant, l’efficacité de conversion n’a pas été suffisante pour permettre des applications généralisées des cellules solaires.
Une limite fondamentale à l’efficacité maximale des dispositifs PV est donnée par les caractéristiques thermodynamiques, à savoir la température et l’entropie (une mesure du désordre dans un système). Plus précisément, cette limite, connue sous le nom de limite de Landsberg, est imposée par l’entropie du rayonnement du corps noir qui est souvent attribuée à la lumière solaire. La limite de Landsberg est largement considérée comme la limite la plus générale pour l’efficacité de tout convertisseur de lumière solaire.
Une autre limite, appelée limite de Shockley-Queisser (SQ), provient de la loi de Kirchhoff, qui stipule que l’absorptivité et l’émissivité doivent être égales pour toute énergie de photon et pour toute direction de propagation. C’est essentiellement le principe de « l’équilibre détaillé » qui régit le fonctionnement des cellules solaires depuis des décennies. La loi de Kirchhoff est, en fait, une conséquence de ce qu’on appelle la « symétrie d’inversion du temps ». Une façon de contourner la limite SQ est donc de briser cette symétrie en permettant à la lumière de se propager uniquement dans une direction. En termes simples, la limite SQ peut être dépassée si le convertisseur PV absorbe plus et émet moins de rayonnement.
Dans une nouvelle étude publiée dans le Journal de la photonique pour l’énergie (JPE), les chercheurs Andrei Sergeev du US Army Research Laboratory et Kimberly Sablon du Army Futures Command et de la Texas A&M University proposent un moyen de briser la limite de SQ en utilisant des « structures photoniques non réciproques » qui peuvent réduire considérablement les émissions d’un convertisseur PV sans affecter son total absorption lumineuse.
La recherche explore une conception PV à cellule unique intégrée à des composants optiques non réciproques pour fournir une réutilisation à 100 % du rayonnement émis par la même cellule en raison du recyclage non réciproque des photons. Cela contraste avec les conceptions précédentes, qui considéraient un convertisseur PV avec plusieurs cellules multijonctions, disposées de telle manière que la lumière émise par une cellule était absorbée par une autre.
Suite aux travaux fondateurs de Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin et Schrödinger, Sergeev et Sablon discutent également de l’entropie solaire en termes de cohérence, de relativité, de distributions hors d’équilibre, de désordre, d’information et de néguentropie. Les auteurs observent que contrairement au rayonnement fortement désordonné à l’intérieur du soleil, les photons de la lumière solaire se déplacent le long de lignes droites dans un angle solide étroit. Pour Sergeev et Sablon, cette observation suggère que la lumière solaire nous fournit une véritable énergie verte et que son efficacité de conversion ne dépend que de la manière dont nous allons la convertir.
Les auteurs ont montré que pour un rayonnement quasi monochromatique, le convertisseur PV à cellule unique non réciproque atteignait le maximum théorique « d’efficacité Carnot », l’efficacité d’un moteur thermique idéal, qui dépasse la limite de Landsberg. C’était également le cas pour le rayonnement multicolore (caractéristique de la lumière solaire).
Fait intéressant, cela a aidé à résoudre un paradoxe thermodynamique lié à une diode optique. Le paradoxe indiquait qu’une diode optique pouvait augmenter la température de l’absorbeur au-dessus de la température du soleil en ne permettant qu’une propagation unidirectionnelle de la lumière. Cela violerait la deuxième loi de la thermodynamique. L’étude a montré qu’un nombre infini de recyclages de photons serait nécessaire pour atteindre l’efficacité Carnot, et donc, enfreindre la loi.
De plus, les chercheurs ont généralisé les considérations thermodynamiques aux distributions de photons hors d’équilibre avec un potentiel chimique non nul induit par la lumière et ont dérivé l’efficacité limite d’un convertisseur PV à cellule unique non réciproque.
« Cette recherche a été motivée par les progrès rapides de l’optique non réciproque et par le développement de matériaux photovoltaïques à faible coût avec une efficacité quantique élevée », déclare Sergeev, citant en particulier les matériaux pérovskites et notant : « Une faible recombinaison non radiative dans ces matériaux permettrait une amélioration avancée de Conversion PV via la gestion des processus radiatifs. »
Avec l’augmentation des structures photoniques non réciproques, le développement de convertisseurs PV à haut rendement peut être attendu dans un avenir proche. Alors que la recherche de solutions durables à la crise énergétique mondiale se poursuit, cette étude donne beaucoup d’espoir pour la technologie des cellules solaires.
Andrei Sergeev et al, Gestion photonique non réciproque pour la conversion photovoltaïque : conception et limites fondamentales d’efficacité, Journal de la photonique pour l’énergie (2022). DOI : 10.1117/1.JPE.12.032207
Fourni par SPIE – Société internationale d’optique et de photonique