Une cellule solaire modifiée produit de l'électricité la nuit

Mar 30, 2023

Temps de lecture : 8 minutes

Publié le 8 juin 202326 mai 2023 par Melisa Yashinski

Les panneaux solaires sont une source d'énergie renouvelable de plus en plus courante et fournissent de l'électricité à des régions du monde qui n'ont pas accès à un réseau électrique. Un panneau solaire est composé de dizaines d'appareils plus petits qui convertissent la lumière du soleil en électricité appelées cellules photovoltaïques, ou cellules PV en abrégé. Une cellule PV typique mesure environ 5 pouces carrés (ou 13 centimètres carrés) et est constituée de silicium, un matériau semi-conducteur abordable. Le silicium absorbe l'énergie de la lumière du soleil, ce qui excite les électrons à se déplacer du bas de la cellule vers le haut, créant de l'électricité. Étant donné que ce processus nécessite de l'énergie solaire, une cellule photovoltaïque ne produit pas d'électricité la nuit, laissant les emplacements hors réseau sans électricité pendant ces heures.

Récemment, les chercheurs se sont intéressés à exploiter la puissance créée à partir de la chaleur émise par les objets grâce à un processus appelé refroidissement radiatif. La Terre est réchauffée pendant la journée par le soleil, puis refroidit la nuit en émettant un rayonnement à ondes longues vers l'espace extra-atmosphérique. C'est pourquoi une journée chaude peut être suivie d'une nuit beaucoup plus fraîche, surtout lorsque le ciel est dégagé.

Les cellules photovoltaïques typiques sont recouvertes de dioxyde de silicium, qui dégage une forte émission de chaleur due au refroidissement radiatif. Cela signifie que la cellule PV perd de la chaleur dans son environnement, la laissant plusieurs degrés plus froide que l'air ambiant la nuit. Actuellement, les cellules photovoltaïques ne peuvent pas convertir ce changement de température en électricité. Les scientifiques ont suggéré de concevoir des cellules photovoltaïques qui récoltent cette énergie. Cependant, cela nécessiterait un semi-conducteur avec des propriétés électriques différentes de celles du silicium, ce qui signifie que les panneaux solaires à base de silicium devraient être remplacés pour produire de l'électricité la nuit.

Plutôt que de concevoir une nouvelle cellule PV, des scientifiques de l'Université de Stanford ont modifié une cellule PV existante pour convertir la chaleur en énergie électrique. Ils ont incorporé un dispositif qui convertit les changements de température en énergie électrique appelé générateur thermoélectrique, ou TEG. Un TEG est un dispositif à semi-conducteurs, ce qui signifie qu'il ne comporte aucune pièce mobile et qu'il est constitué d'un matériau unique qui réagit lorsqu'il est exposé à deux températures différentes. Les atomes du matériau exposé à une température plus élevée sont excités et libèrent des électrons qui s'écoulent vers le côté du matériau exposé à une température plus froide. Les scientifiques ont prévu de fixer un TEG entre la cellule PV plus froide et l'air ambiant plus chaud.

Lors de la conception de cette cellule photovoltaïque modifiée, les scientifiques ont utilisé des calculs thermodynamiques pour savoir quand le TEG générerait le plus d'électricité. Ils ont déterminé qu'ils devaient minimiser la quantité de chaleur provenant de l'air ambiant, autour du TEG et vers la cellule photovoltaïque, car cela ne contribuerait pas à la production d'électricité du TEG. Par conséquent, ils ont entouré l'appareil dans une chambre en plastique isolée avec une ouverture pour permettre la connexion à l'air ambiant.

Les scientifiques ont également calculé qu'ils devaient maximiser le contact du côté chaud du TEG avec l'air ambiant. Pour ce faire, ils ont connecté ce côté du TEG à une partie informatique standard qui transfère l'énergie thermique, appelée dissipateur thermique, et à un support de base. Le dissipateur de chaleur a fourni un chemin pour que l'air ambiant atteigne le TEG avec peu de résistance. Ils ont également connecté une feuille d'aluminium entre la cellule PV et le TEG pour améliorer le transfert de chaleur. Ensuite, ils ont appliqué une graisse de silicone sur chaque composant pour améliorer le flux de chaleur.

Pour tester leur cellule photovoltaïque modifiée, les scientifiques l'ont placée sur un toit avec un accès dégagé au ciel pendant quatre jours et quatre nuits. Pendant ce temps, ils ont surveillé en permanence la puissance produite par le TEG, la cellule PV et les températures de la cellule PV, du dissipateur thermique et de l'air ambiant.

Les scientifiques ont observé que la cellule photovoltaïque se réchauffait pendant la journée, la température culminant à la mi-journée à environ 15 °C (59 °F) au-dessus de la température de l'air ambiant. La nuit, la température des cellules photovoltaïques est tombée en dessous de la température de l'air ambiant, ce qui était plus prononcé les nuits claires, à environ 3 ° C (37 ° F) de moins. Le TEG a extrait la puissance des différences de température pendant le jour et la nuit.

Les scientifiques ont détecté une petite quantité d'énergie du TEG pendant la journée, environ 1 % de ce que la cellule PV produisait à partir de la lumière du soleil. Cependant, pendant la nuit, ils ont mesuré une quantité importante de puissance produite par le TEG, près de 40 % de la puissance produite par la cellule PV pendant la journée. Ils ont également noté que plus de puissance était produite les nuits claires que les nuits nuageuses.

Les scientifiques ont suggéré d'améliorer la production d'électricité nocturne dans les travaux futurs en optimisant la cellule PV et la zone de contact du TEG. Ils suggèrent également d'ajouter une couche d'isolant électrique au-dessus de la cellule PV pour augmenter la quantité de chaleur émise lors du refroidissement radiatif. Ils ont conclu que la modification des cellules photovoltaïques existantes pourrait fournir de l'électricité aux emplacements hors réseau la nuit.