Un pigment de tomate peut être la clé pour augmenter l'efficacité des panneaux solaires

JONGHO SHIN/iStock

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L'un des principaux inconvénients de l'énergie solaire réside dans l'efficacité variable des panneaux solaires.

Les termes « efficacité des panneaux solaires » et « efficacité des cellules solaires » font référence à la quantité de lumière solaire que chaque technologie photovoltaïque peut transformer en énergie utilisable.

En règle générale, l'efficacité des cellules solaires varie de 15% à 22%, selon l'emplacement, les conditions météorologiques et autres conditions naturelles, ainsi que le type de système d'énergie solaire utilisé.

Wikimedia Commons/Mark Buckawicki

Au cours des dernières années, cependant, les progrès nécessaires de la technologie photovoltaïque ont contribué à augmenter ces chiffres.

En 2022, l'une des découvertes les plus incroyables dans ce domaine est attribuée à une équipe de chercheurs chinois qui ont découvert que le lycopène, le pigment qui rend les tomates rouges, augmente l'efficacité des cellules solaires à base de pérovskite de 20,57% à 23,62%.

Certains types de panneaux solaires fonctionnent mieux que d'autres.

Actuellement, la plupart des panneaux solaires commerciaux (environ 90 %) sont à base de silicium car il s'agit d'une option relativement rentable, car ils durent jusqu'à 25 ans et ne nécessitent pas beaucoup d'entretien.

Mais ils dépassent rarement des taux d'efficacité de 20 à 25 %.

Il existe plusieurs types de panneaux solaires à base de silicium :

Panneaux solaires en silicium amorphe. L'une des alternatives les moins chères du marché, ce type de panneau solaire contient des couches minces d'une forme non cristalline de silicium appelée silicium amorphe (a-Si), qui fonctionne comme un matériau semi-conducteur. L'efficacité des cellules solaires est d'environ 6 à 13 %.

Panneaux solaires en silicium polycristallin.Ces panneaux solaires contiennent des fragments de silicium polycristallin de haute pureté, fondus ensemble en fines tranches qui forment les cellules solaires.

Wikimedia Commons/Photo Mariojane

Ces panneaux solaires à base de silicium ont de nombreux cristaux, ce qui rend plus difficile le passage des électrons à travers eux. Par conséquent, le taux d'efficacité de ce type de panneau solaire est généralement d'environ 13 à 16 %.

Panneaux solaires en silicium monocristallin. Constitués de silicium monocristallin pur organisé en tranches, ces panneaux solaires ont une couleur noire foncée et un taux d'efficacité d'environ 17 à 24 %. Cependant, leur fabrication peut être complexe et coûteuse.

Société américaine de l'énergie solaire

Ensuite, nous avons des panneaux solaires en pérovskite, constitués de composés structurés en pérovskite comme couche absorbant la lumière. Ce sont des composés basés sur la structure cristalline du titanate de calcium, qui permet l'incorporation de différents cations (ions chargés positivement).

Les panneaux solaires en pérovskite fabriqués à partir de pérovskites aux halogénures de plomb sont peu coûteux et plus efficaces que les panneaux solaires à base de silicium (le taux d'efficacité est d'environ 25%). Cependant, ils sont facilement dégradés par l'humidité, la chaleur, la lumière et d'autres facteurs.

Wikimedia Commons/Stanford ENERGY, Mark Shwartz

En raison de leur courte durée de vie, ces panneaux solaires ne sont actuellement pas compétitifs sur le marché. Pourtant, leurs autres caractéristiques sont prometteuses et les scientifiques n'ont pas renoncé à rechercher de nouvelles façons d'augmenter la stabilité, la durabilité et l'efficacité des panneaux.

C'est là qu'intervient le lycopène, le "pigment de la tomate".

Le lycopène est un antioxydant naturel. A ce titre, il inhibe l'oxydation, la réaction chimique responsable des radicaux libres.

Les radicaux libres sont des ions, des atomes ou des molécules avec un nombre impair d'électrons. Cela les rend instables et ils peuvent activer des réactions qui altèrent l'ADN, produisant des dommages cellulaires dans les organismes vivants.

Le lycopène se fixe sur les radicaux libres générés par le rayonnement ultraviolet du Soleil, les rendant plus stables. De cette façon, le pigment protège les tomates et autres fruits rouges des rayons UV en réduisant les dommages cellulaires dans leur tissu cutané.

Wikimedia Commons/Jeff Dahl

Sachant cela, les chercheurs chinois ont émis l'hypothèse que le lycopène pourrait réduire la dégradation des panneaux solaires en pérovskite produits par les rayons UV, améliorant ainsi leur durabilité.

Mais après les tests, ils ont découvert que le lycopène passivait les joints de grains (l'interface entre deux grains, ou cristallites, dans les matériaux polycristallins), améliorait la cristallinité et la transparence et réduisait la densité des pièges à électrons, ce qui, dans l'ensemble, améliorait le flux électrique dans les panneaux solaires, augmentant ainsi leur efficacité également.

Cependant, ce n'est pas la première fois que des scientifiques parviennent à améliorer l'efficacité des panneaux solaires en pérovskite.

En avril 2021, une équipe de la City University de Hong Kong a ajouté des ferrocènes, un composé organométallique à base de fer préparé pour la première fois en 1951 à l'Université Duquesne, aux cellules solaires à pérovskite et a augmenté leur efficacité à 25% tout en passant le test de stabilité défini par la Commission électrotechnique internationale.

En septembre de la même année, des chercheurs néerlandais ont créé un dispositif tandem pérovskite-silicium à quatre broches qui utilisait un mélange de cellules solaires en silicium avec des cellules solaires en pérovskite pour extraire l'énergie de la lumière visible et du spectre infrarouge (à travers les cellules solaires en silicium) plus le spectre ultraviolet (à travers les cellules solaires en pérovskite). L'appareil a atteint un taux d'efficacité de 30,1 %.

Quant aux panneaux solaires à base de silicium, une façon d'améliorer leur efficacité consiste à ajouter de fines couches de pérovskite ou d'autres matériaux absorbant la lumière (comme l'oxyde de silicium). Une autre façon consiste à placer des réflecteurs miroir à des angles spécifiques près des panneaux solaires pour les aider à absorber plus de lumière solaire.

De plus, les lentilles de Fresnel peuvent être utilisées comme concentrateurs solaires pour construire des panneaux solaires qui concentrent littéralement la lumière du soleil reçue sur leurs cellules solaires.

Outre les techniques mentionnées ci-dessus, l'efficacité des panneaux solaires peut être influencée par les éléments suivants :

Conditions météorologiques. Les températures élevées sont problématiques pour la production d'énergie solaire car la chaleur réduit la tension de sortie des panneaux solaires. La couverture nuageuse réduit la lumière directe du soleil que les panneaux solaires reçoivent, et la neige abondante peut les bloquer totalement.

Flickr/S. Max Klöppel

Orientation et angles. Les panneaux solaires doivent être exposés au soleil autant que possible pour être plus efficaces. Ils doivent faire face au sud dans l'hémisphère nord et au nord dans l'hémisphère sud, mais cela ne signifie pas qu'une orientation fixe est idéale. L'équipement pour suivre le mouvement du Soleil est recommandé.

Ombres. L'ombrage peut réduire de plus de moitié l'efficacité des panneaux solaires. Tous les types de panneaux solaires fonctionnent mieux lorsqu'ils sont installés loin des grands arbres ou d'autres objets projetant de l'ombre et/ou s'ils ont des diodes de dérivation câblées en parallèle aux cellules solaires.

Entretien. Au fil du temps, la poussière et les débris s'accumulent dans les panneaux solaires, réduisant leurs performances. La pluie lave souvent la saleté, c'est pourquoi les panneaux solaires nécessitent très peu d'entretien, mais c'est un fait que les panneaux solaires doivent rester propres pour fonctionner au maximum de leur efficacité.

Niveaux d'insolation. "L'insolation" fait référence à l'énergie de la lumière solaire par unité de surface au fil du temps. Les variations régionales des niveaux d'insolation en fonction de l'emplacement du panneau solaire peuvent être vérifiées sur le Power Data Access Viewer de la NASA.