Source: The Conversation – in French – By Antoine Grosjean, Docteur en Science des matériaux pour l’énergie solaire, EPF
En apprenant à manipuler la lumière avec la même finesse que les ailes d’un papillon, nous pourrions concevoir des centrales solaires plus efficaces, plus compactes et mieux adaptées aux besoins industriels.
Avez-vous déjà pris le temps d’observer la palette de couleur des ailes des papillons — voire pour les plus chanceux d’entre vous, le bleu intense d’un papillon Morpho ? Vous êtes-vous demandé d’où viennent ces couleurs ?
Elles ne viennent pas de pigments qui absorbent la lumière comme ceux d’une peinture, mais de minuscules structures invisibles à l’œil nu qui manipulent la lumière. À l’échelle nanométrique (1000 fois plus fin qu’un cheveu), ces structures agissent comme des prismes optiques sophistiqués : elles réfléchissent certaines couleurs et en laissent passer d’autres, permettant de créer les palettes brillantes et même iridescentes des plumes de paon ou la carapace de certains scarabées. En d’autres termes, la nature produit des structures complexes qui peuvent littéralement trier les couleurs composant la lumière du soleil.
Cette capacité fascine les chercheurs en photonique, une branche de la physique et de l’optique. Depuis quelques décennies, nous commençons à mieux la comprendre, et nous sommes capables de reproduire numériquement et expérimentalement en laboratoire les structures photoniques apparues spontanément dans la nature suite à des millions d’années d’évolution.
L’un des objectifs est de concevoir des objets dont la surface pourrait, comme une aile de papillon, être transparente comme une vitre ou réfléchissante comme un miroir… mais selon la longueur d’onde de la lumière, c’est-à-dire selon sa couleur !
En d’autres termes, nous aimerions « découper » la lumière blanche en plusieurs morceaux de « couleur » différents. Ainsi séparée en plusieurs morceaux, il est plus facile de contrôler la manière dont la lumière va interagir avec son environnement. Ce procédé est déjà utilisé sans que vous vous en rendiez compte, par exemple avec certaines crèmes solaires qui réfléchissent le rayonnement UV pour laisser passer les longueurs d’ondes visibles, ce qui génère un film protecteur invisible pour nos yeux.
C’est le même principe que nous cherchons à utiliser mais ici, sur un spectre solaire complet afin de produire de l’énergie. Cela permettrait à terme de transformer la manière dont nous exploitons l’énergie solaire.
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La lumière du Soleil, plus variée qu’elle en a l’air
En effet, le Soleil n’émet pas une lumière uniforme : il s’agit d’un large ensemble de longueurs d’ondes, de l’ultraviolet jusqu’au proche infrarouge.
La partie visible représente légèrement plus de la moitié de l’énergie disponible, et c’est celle que les cellules photovoltaïques de nos panneaux solaires convertissent en électricité (plus rigoureusement, une cellule photovoltaïque en silicium convertit principalement la lumière entre 350 et 1100 nanomètres, soit le spectre visible étendu au début du proche infrarouge).
Le reste de la lumière solaire est en grande partie perdue sous forme de chaleur, ce qui dégrade d’ailleurs au passage les performances de conversion photovoltaïque, qui diminue d’ailleurs dès 25 °C, puisque c’est en fait à cette température de référence qu’est calculée la performance standard d’une cellule.
À l’inverse, les technologies solaires thermiques exploitent l’ensemble du spectre solaire mais ne produisent pas directement d’électricité. Plutôt que de choisir entre ces deux approches, on peut aussi chercher à les combiner intelligemment.
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Le beurre et l’argent du beurre, ou l’intérêt des systèmes hybrides
C’est tout l’enjeu de certains systèmes hybrides cherchant à marier l’énergie solaire photovoltaïque et l’énergie solaire thermique.
L’idée est simple : utiliser un filtre optique pour envoyer les longueurs d’onde « utiles » vers une cellule photovoltaïque pour produire de l’électricité et rediriger le reste vers un système thermique capable de produire de la chaleur industrielle, par exemple entre 150 et 250 °C. Ce concept, appelé « découpage spectral », permettrait d’augmenter la production globale d’énergie de 20 à 30 % par rapport à une installation photovoltaïque seule.
Mais sa mise en œuvre repose sur une pièce maîtresse : un traitement de surface extrêmement précis, capable d’être à la fois un miroir pour certaines longueurs d’onde et d’être transparent pour d’autres. Cela ne vous rappelle rien ? Nos ailes de papillon et notre plume de paon !
Concevoir des revêtements de surfaces en s’inspirant de la stratégie évolutive
Historiquement, concevoir de tels revêtements était un véritable casse-tête. Les solutions proposées impliquent souvent plusieurs dizaines de couches minces, des matériaux coûteux, voire toxiques, et des procédés de fabrication complexes. Et c’est précisément là que la nature nous aide encore : en créant des algorithmes d’optimisation mimant la sélection naturelle, nous pouvons explorer des millions de combinaisons de structures pour faire émerger les plus adaptées à nos besoins.
Sans étonnement, les structures obtenues ressemblent à celles que l’on observe déjà dans le vivant. Autrement dit, en cherchant à optimiser des propriétés optiques, nous avons redécouvert des solutions proches de celles que la nature a mis des millions d’années à perfectionner.
Concrètement, ces solutions fonctionnent comme les traitements antireflets de nos lunettes de vue, sauf qu’ici le traitement permet de réfléchir et concentrer efficacement les rayonnements ultraviolet et proche infrarouge vers un système thermique, tout en laissant passer la lumière visible vers la cellule photovoltaïque.
Schéma traduit de K. Fisher et collaborateurs, AIP Conf. Proc. 1850, 020004 (2017)., CC BY-SA
Ce comportement optique est précisément celui recherché pour les systèmes solaires hybrides. Il permet de séparer les flux d’énergie sans contact direct entre les sous-systèmes, évitant ainsi les pertes thermiques qui pénalisent les technologies hybrides classiques.
L’intégration de ces revêtements dans des systèmes solaires ouvrirait la voie à de nouveaux types de centrales solaires compactes. En effet, en combinant le photovoltaïque et le solaire thermique, notamment à concentration (CST), il deviendra possible de produire simultanément de l’électricité et de la chaleur à haute température sur une surface d’occupation réduite. À l’heure actuelle, aucune centrale commerciale n’existe, mais un mini-démonstrateur a été proposé.
À l’avenir, cette stratégie de découpage spectral pourrait permettre de répondre à des besoins industriels variés, comme la production de vapeur, le séchage ou certains procédés chimiques, tout en maximisant l’exploitation de la ressource solaire.
Des technologies encore au stade de la recherche
Dans nos travaux, nous avons validé ces concepts en concevant des matériaux assez simples, puis des multicouches pour étudier la manière dont ils divisent la lumière solaire. L’ensemble de nos recherches porte actuellement sur des prototypes de petite taille, avec des dépôts réalisés sur des substrats de silicium de quelques centimètres. Les résultats expérimentaux confirment les prédictions numériques, mais le passage à plus grande échelle reste un défi, par exemple sur le plan du vieillissement et en ce qui concerne la réduction des coûts.
Des collaborations sont en cours, notamment avec le centre aérospatial allemand (DLR), pour tester ces revêtements sur des cellules photovoltaïques complètes et envisager leur intégration dans des systèmes réels.
Antoine Grosjean a reçu des financements à titre professionnel de la part de l’Agence National de la Recherche (CNRS), du CNRS et de la Commission Européen
– ref. Les ailes des papillons Morpho inspireront-elles les centrales solaires du futur ? – https://theconversation.com/les-ailes-des-papillons-morpho-inspireront-elles-les-centrales-solaires-du-futur-287015