Une approche inspirée des arbres pour booster l’efficacité des panneaux solaires

Photographies d’échantillons carrés de 2,0 mm d’épaisseur. (a) Les cinq échantillons de droite ont des films réflecteurs fixés sur leurs bords. (b) Photographie au microscope de la région du bord avant l’application d’un film réfléchissant.

Les chercheurs japonais ont développé un nouveau modèle de concentrateur solaire luminescent inspiré des feuilles d’arbres, offrant une approche novatrice pour améliorer la capture de l’énergie solaire. Cette innovation pourrait transformer la manière dont l’énergie solaire est collectée et utilisée dans divers domaines.

Depuis leur invention dans les années 1970, les concentrateurs solaires luminescents (LSC) visent à optimiser la capture de l’énergie solaire en utilisant des matériaux luminescents pour convertir et concentrer la lumière du soleil sur des cellules photovoltaïques. Contrairement aux concentrateurs traditionnels reposant sur des miroirs et des lentilles, les LSC peuvent capter la lumière diffuse et ont été utilisés dans des applications telles que le photovoltaïque intégré aux bâtiments, où leur nature semi-transparente et colorée offre des avantages esthétiques.

L’extension des LSC pour couvrir de grandes surfaces a été confrontée à des défis, notamment l’auto-absorption des photons photoluminescents (PL) dans le guide d’ondes. Pour surmonter ces limitations, des chercheurs de l’Université Ritsumeikan au Japon ont proposé un modèle innovant de «LSC feuille» qui promet d’améliorer la collecte et le transfert de lumière vers les cellules photovoltaïques.

Le concept du « LSC feuille » : une approche biomimétique

Le design du LSC feuille aborde le problème de l’extensibilité en utilisant des composants luminescents plus petits et interconnectés, fonctionnant comme des feuilles sur un arbre. Comme rapporté dans le Journal of Photonics for Energy (JPE), cette configuration innovante implique le placement de plaques luminescentes autour d’une fibre luminescente centrale, les côtés des plaques faisant face à la fibre.

Cette disposition permet aux photons incidents d’être convertis en photons PL par les plaques. Ces photons voyagent ensuite à travers la fibre et sont collectés à son extrémité par une cellule photovoltaïque. Pour augmenter l’efficacité, des guides de lumière clairs connectent plusieurs fibres à une seule cellule PV, augmentant efficacement la surface incidente du LSC tout en réduisant les pertes de photons dues à l’auto-absorption et à la diffusion.

[ Un concentrateur solaire luminescent (LSC) en forme de feuille d’érable peut améliorer la collecte et le transfert de la lumière vers les cellules photovoltaïques (PV). Les chercheurs ont évalué l’efficacité optique des concentrateurs solaires luminescents en forme de feuille sous irradiation uniforme par une LED blanche.]

Avantages et optimisations du système modulaire

Cette approche modulaire de la conception des LSC offre plusieurs avantages. L’efficacité de la collecte des photons s’améliore grâce à la réduction de la taille latérale des modules individuels. Par exemple, la réduction de la longueur latérale d’un LSC feuille carré de 50 mm à 10 mm a considérablement augmenté l’efficacité de la collecte des photons.

Le design modulaire permet également un remplacement facile des unités endommagées et l’intégration de matériaux luminescents avancés à mesure qu’ils deviennent disponibles. L’efficacité du système a été améliorée davantage par l’incorporation de techniques issues des LSC planaires traditionnels, telles que les miroirs de bord et les structures en tandem, dans la conception du LSC feuille.

Sean Shaheen, rédacteur en chef du JPE et professeur d’ingénierie et de physique à l’Université du Colorado Boulder, ainsi que membre du Renewable and Sustainable Energy Institute, a déclaré : «Ces résultats démontrent une approche créative qui fait progresser le concept des concentrateurs solaires luminescents pour guider efficacement la lumière du soleil vers les dispositifs photovoltaïques adjacents. En combinant des conceptions évolutives inspirées de la biologie avec des améliorations en ingénierie optique, les auteurs ont augmenté l’efficacité de leurs dispositifs vers ce qui est nécessaire pour une utilisation pratique.»

L’optimisation de la collecte des photons dans les LSC pourrait ouvrir la voie à des solutions d’énergie solaire plus flexibles et évolutives. Cette approche de la récolte d’énergie pourrait transformer l’application des concentrateurs solaires, les rendant plus efficaces et adaptables pour diverses utilisations, des installations à grande échelle aux systèmes intégrés aux bâtiments.

À mesure que la technologie progresse, elle porte la promesse d’améliorer significativement les performances des systèmes d’énergie solaire et de contribuer à des solutions énergétiques plus durables. L’innovation du «LSC feuille» représente un pas important vers une utilisation plus efficace et répandue de l’énergie solaire dans notre société.

Article : ‘Enhanced photon collection in leaf-inspired luminescent solar concentrators’ – SPIE–International Society for Optics and Photonics – Publication dans la revue Journal of Photonics for Energy

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