Des chercheurs ont mis au point une nouvelle cellule thermophotovoltaïque capable de convertir la chaleur en électricité avec une efficacité sans précédent, leur permettant de dépasser les traditionnelles turbines à vapeur.
Une efficacité supérieure à 40 %
Les cellules thermophotovoltaïques (TPV) sont généralement fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs dotés d’une bande interdite étroite, déterminant l’énergie que les électrons doivent acquérir pour atteindre la bande de conduction. Lorsque de tels dispositifs absorbent des photons de haute énergie, ces derniers peuvent envoyer des électrons à travers la bande interdite et ainsi générer de l’électricité.
Présentée dans la revue Nature, la nouvelle cellule TPV développée par le MIT et le National Renewable Energy Laboratory (NREL) est capable de fonctionner à des températures plus élevées (jusqu’à 2 400 °C), lui permettant d’atteindre un rendement supérieur à 40 % contre 32 % pour ses prédécesseurs. Celle-ci se compose de trois couches : un alliage métallique à bande interdite élevée placé au-dessus d’un alliage à bande interdite légèrement inférieure, sous lequel on retrouve une couche d’or jouant le rôle de miroir.
La couche à bande interdite élevée capture les photons les plus énergétiques d’une source de chaleur et les convertit en électricité, tandis que les photons de moindre énergie qui la traversent sont capturés et convertis par la seconde. Les particules de lumière parvenues à franchir cette dernière sont quant à elles renvoyées par la couche miroir vers la source de chaleur afin d’éviter tout gaspillage d’énergie.
Bien qu’elles offrent un rendement similaire, les turbines à vapeur s’avèrent beaucoup plus complexes (elles comportent des pièces mobiles qui doivent être régulièrement inspectées et remplacées) et possèdent également des températures de fonctionnement plus basses. Faisant des cellules TPV des alternatives avantageuses, capables de produire de l’électricité de manière fiable.
« Les cellules TPV ont été la dernière étape clé pour démontrer que les batteries thermiques sont un concept viable »
Selon l’équipe, l’utilisation à grande échelle de batteries thermiques exploitant cette approche permettrait d’absorber l’énergie excédentaire provenant de sources renouvelables, qui serait stockée sur un support en graphite. Dès que nécessaire, les cellules TPV pourraient convertir cette chaleur en électricité et la réinjecter dans le réseau électrique.
S’il sera nécessaire d’atteindre une surface d’environ 900 m² pour un système de batteries thermiques à l’échelle d’un réseau électrique (les cellules TPV expérimentales utilisées lors de l’étude ne mesuraient que 1 cm²), l’équipe précise que la technologie nécessaire existe déjà.
« Les cellules TPV ont été la dernière étape clé pour démontrer que les batteries thermiques sont un concept viable », estime Asegun Henry, auteur principal de l’étude. « Celles-ci ouvrent la voie à la généralisation des énergies renouvelables et à un réseau entièrement décarboné. »
