Une cellule solaire innovante qui produit de l'électricité et stocke l'énergie thermique de manière efficace et durable
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Un dispositif solaire hybride innovant qui combine un panneau photovoltaïque et un dispositif de stockage d'énergie a atteint des niveaux record d'efficacité de stockage d'énergie pour un tel dispositif. Et contrairement aux batteries conventionnelles, le dispositif de stockage d'énergie solaire thermique moléculaire (MOST) ne dépend pas de matériaux rares.
Le « système solaire hybride » combine des panneaux photovoltaïques (PV) et un système de stockage d’énergie dans un seul appareil. Mais le développement d’un tel dispositif implique de surmonter deux défis majeurs pour garantir le bon fonctionnement du système. L’un d’entre eux est l’effet du rayonnement solaire, qui provoque une augmentation de la température des panneaux et, de manière quelque peu contre-intuitive, une diminution de 10 à 25 % de l’efficacité des cellules photovoltaïques. Un autre problème est que les technologies actuelles de stockage d’énergie, telles que les batteries, reposent sur des matériaux rares et non durables.
Cependant, des chercheurs de l'Université technologique Chalmers en Suède et de l'Universitat Politècnica de Catalunya – Barcelona Tech, en Espagne, ont mis au point un nouveau dispositif hybride qui répond à ces deux problèmes tout en maximisant l'utilisation de l'énergie solaire et en atteignant une efficacité record de stockage d'énergie.
Les systèmes photovoltaïques à base de silicium sont devenus la technologie dominante de l’énergie solaire pour une bonne raison. Le silicium est abondant et son utilisation pour fabriquer des modules photovoltaïques est rentable, évolutive et respectueuse de l’environnement. Les systèmes photovoltaïques à base de silicium sont également très efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité. Néanmoins, ils sont toujours sujets à la surchauffe, ce qui entraîne une inefficacité.
Schéma des composants du nouveau dispositif solaire hybride
Les chercheurs ont donc abandonné la méthode traditionnelle consistant à combiner une couche d'absorption thermique avec une cellule photovoltaïque et ont associé une cellule solaire en silicium à un système innovant de stockage d'énergie solaire thermique moléculaire, abrégé en MOST (Molecular Solar Thermal Energy Storage) . Le système est placé au-dessus de la cellule photovoltaïque et contient des molécules organiques circulant dans une puce microfluidique capable de stocker la lumière du soleil sous forme d'énergie chimique via le processus de photoisomérisation. La photoisomérisation est une réaction photoélectrique courante dans laquelle une molécule organique change de structure lorsqu'elle est exposée à la lumière.
Pour revenir aux principes de base de la physique, les photons sont de minuscules paquets de lumière représentant l'ensemble du spectre du rayonnement électromagnétique. Les photons se déplacent selon un modèle ondulatoire, des ondes radio de faible énergie aux ondes énergétiques qui produisent la lumière visible, en passant par les ondes de plus haute énergie comme la lumière ultraviolette.
Lorsque les molécules organiques de MOST sont irradiées par des photons à haute énergie ou des particules lumineuses, comme la lumière ultraviolette, elles subissent une transformation chimique, stockant l'énergie créée pour une utilisation ultérieure. De plus, ces molécules refroidissent la cellule photovoltaïque en agissant comme un filtre optique qui bloque les photons qui provoqueraient normalement un échauffement de la cellule et une réduction de son efficacité. De cette manière, le système MOST permet à la fois la production d'électricité et le stockage d'énergie chimique.
Infographie du spectre électromagnétique
Les chercheurs ont testé le nouveau dispositif dans des scénarios réels, en l'orientant manuellement pour faire face au soleil entre 9 heures et 15 heures lors d'une journée d'automne de novembre à Barcelone en 2022, où la température a atteint environ 39 °C. Le nouveau dispositif a atteint une efficacité de stockage solaire de 2,3 %, l'efficacité énergétique solaire thermique moléculaire la plus élevée enregistrée à ce jour. Il a également abaissé la température des cellules photovoltaïques jusqu'à 8 °C, réduisant ainsi les pertes d'énergie dues à la chaleur et augmentant l'efficacité de conversion d'énergie de 12,6 %. L'utilisation totale de l'énergie solaire a atteint 14,9 %.
D’un point de vue de durabilité, le système MOST non seulement améliore l’efficacité énergétique pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles, mais il utilise également des éléments communs comme le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote à la place de matériaux rares (et coûteux) comme le lithium, le cobalt et le nickel, qui sont généralement utilisés pour fabriquer des batteries.
« Malgré le potentiel d’optimisation supplémentaire, ce développement constitue une avancée significative vers une technologie de stockage d’énergie de longue durée qui complète les systèmes photovoltaïques », ont déclaré les chercheurs.
Il a été prouvé que le système MOST pouvait supporter plus de 1 000 cycles de charge/décharge avec une dégradation minimale, ce qui signifie qu'il serait possible de faire fonctionner le système en continu pendant des mois. Les chercheurs espèrent que leur dispositif hybride répondra au besoin croissant d'énergie propre et de stockage efficace à mesure que nous nous éloignons des combustibles fossiles.
Le dispositif a été développé dans le cadre des projets ERC PHOTHERM et EU FET-PROACT MOST , avec un financement européen de 2 millions et 4,3 millions d'euros respectivement. L'étude implique également des chercheurs de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, de l'Université de technologie Chalmers en Suède et de l'Institut des sciences des matériaux de Barcelone (ICMAB-CSIC)
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351%2824%2900288-5