Thermophotovoltaïque

La thermophotovoltaïque (TPV) prend un détour qui en vaut la peine : au lieu de convertir la chaleur directement en courant, elle fait d'abord luire la chaleur puis capte la lumière avec une cellule semi-conductrice.

Le dispositif

Deux parties suffisent. Un émetteur est porté à haute température et rayonne ce faisant — comme tout corps chaud — des ondes électromagnétiques. Une cellule photovoltaïque située en face convertit ce rayonnement en courant.

À la différence d'une cellule solaire, le maximum du rayonnement ne se situe pas dans le visible, mais dans le proche infrarouge. À 2 000 kelvins, il se situe à environ 1,5 micromètre.

Pourquoi le détour est judicieux

La thermoélectricité convertit la chaleur directement en tension, mais a besoin pour cela d'un gradient de température et dépasse rarement huit pour cent de rendement. La raison en est un conflit d'objectifs dans le matériau : il faut quelque chose qui conduise bien le courant et mal la chaleur, et dans la plupart des substances les deux conductivités vont de pair.

La thermophotovoltaïque n'a pas ce conflit. Sa limite n'est pas la science des matériaux, mais la physique du rayonnement — et celle-ci se situe nettement plus haut.

Les deux artifices décisifs

Bande interdite adaptée. La cellule est taillée sur le spectre de l'émetteur. Pour le domaine infrarouge conviennent des semi-conducteurs comme l'arséniure de gallium, l'arséniure de gallium-indium ou l'arséniure-antimoniure de gallium-indium — et non le silicium, dont la bande interdite de 1,12 électronvolt est trop grande pour ces longueurs d'onde.

Les dispositifs modernes empilent deux cellules aux bandes interdites différentes l'une sur l'autre, de sorte que chacune utilise la part du spectre qui lui convient.

Récupération. Les photons dont l'énergie est inférieure à la bande interdite ne pourraient rien faire et seraient perdus. Au lieu de les gaspiller, on place derrière la cellule un miroir qui les renvoie vers l'émetteur. Là, ils contribuent au chauffage.

Cet artifice est la raison des bonds de ces dernières années. Il transforme une perte en un circuit : ce que la cellule ne peut pas utiliser n'est pas perdu, mais retourne au chauffage.

L'état de la technique

En 2022, un groupe de travail du MIT et du National Renewable Energy Laboratory a rendu compte dans Nature d'une cellule tandem d'un rendement d'environ 40 pour cent pour des températures d'émetteur comprises entre 1 900 et 2 400 degrés Celsius.

C'est un nombre remarquable. Il se situe au-dessus du rendement d'une turbine à vapeur dans une centrale ordinaire — et cela dans un agencement sans une seule pièce mobile, sans eau, sans maintenance.

L'application à laquelle on pense

L'emploi qui vient à l'esprit est le stockage du courant sous forme de chaleur.

Le courant éolien et solaire excédentaire chauffe un milieu de stockage — par exemple du silicium fondu ou des blocs de graphite — à plus de 2 000 degrés. Si le courant est nécessaire plus tard, les cellules TPV le restituent.

L'attrait réside dans les coûts. Un accumulateur de chaleur est fait de matériaux bon marché, abondamment disponibles, et ne vieillit guère, alors que les batteries sont chères et perdent de la capacité. On aurait une batterie sans chimie.

Distinction d'avec la neutrinovoltaïque

La différence est le point de départ. La thermophotovoltaïque a besoin d'une source chaude, et cette chaleur doit venir de quelque part — d'une combustion, d'une lumière solaire concentrée, d'un accumulateur. Sans émetteur chaud, pas de rayonnement et pas de courant.

La neutrinovoltaïque intervient là où aucune source de ce genre n'est à disposition. Son ambition porte sur des flux qui sont présents partout et en permanence, et donc sur des applications dans l'obscurité, à l'intérieur, sous terre.

Pour Le photovoltaïque en comparaison, il en va de même : il a besoin de lumière venue de l'extérieur ; la thermophotovoltaïque se produit sa lumière elle-même.

Ce qu'il y a à en apprendre

La thermophotovoltaïque montre deux choses qui valent aussi pour d'autres approches.

Premièrement : le détour apparent peut être le chemin le plus court. Convertir la chaleur en courant par le rayonnement est plus compliqué que la voie directe — et fournit cinq fois plus.

Deuxièmement : le progrès n'est pas venu d'une nouvelle idée de base, mais d'un travail soigneux sur les matériaux, sur la bande interdite et le miroir. C'est précisément en cela que consiste aussi la tâche que la neutrinovoltaïque s'est fixée avec ses empilements multicouches de graphène et de silicium.

Termes apparentés

Sources

  • A. LaPotin et al. : Thermophotovoltaic efficiency of 40 %, Nature 604, 287–291 (2022).