Fluctuations quantiques et cellules solaires : les résultats de 2023

Le changement climatique impose de réduire les émissions et de faire face aux risques climatiques. Le remplacement des combustibles fossiles par des sources comme l’hydroélectricité, l’éolien, la géothermie et le solaire participe à cet effort. Les progrès techniques peuvent y contribuer. En 2023, plusieurs études ont présenté des avancées en nanophotonique et dans les cellules solaires. Il s’agit toutefois de résultats distincts, qui ne démontrent pas que les fluctuations quantiques améliorent déjà le rendement des panneaux solaires commerciaux.

Résonateurs en nœud papillon

Une étude a montré une méthode d’autoassemblage de cavités optiques en silicium. Des forces de surface liées aux fluctuations quantiques rapprochent des nanostructures préalablement fabriquées et les font adhérer de manière contrôlée.

Les résonateurs en nœud papillon doivent leur nom à la forme de leur partie étroite. Ils concentrent le champ électromagnétique de la lumière dans une très petite région et peuvent renforcer les interactions entre lumière et matière. Cette étude concernait des cavités optiques, et non des cellules photovoltaïques de nouvelle génération déjà opérationnelles.

Un volume modal plus petit peut être utile, mais ne garantit ni une diminution des pertes ni une hausse du rendement global. La lithographie et la gravure classiques peinent à produire certains espaces extrêmement étroits. Les chercheurs les ont donc associées à un autoassemblage fondé sur les forces de surface, notamment celles décrites par

• l’effet Casimir
• et les interactions de van der Waals

Les chercheurs ont fabriqué en deux parties des nanostructures de silicium suspendues. Lorsque la distance et la raideur des structures étaient adaptées, les forces de surface rapprochaient les parties, qui adhéraient pour former une structure stable avec un très petit espace optique. Il ne s’agit ni de fusion nucléaire ni de création de matière à partir du vide. La publication souligne une limite de la fabrication classique :La technologie planaire des semi-conducteurs se prête à une fabrication à grande échelle, mais atteint difficilement les dimensions atomiques que peut permettre l’autoassemblage.D’où l’intérêt de combiner les deux approches.

Qu’est-ce que cela signifie ?

Le résultat concerne surtout la fabrication et l’intégration de composants photoniques très petits. La publication dans Nature décrit aussi plusieurs applications possibles.

Les exemples comprennent les nanopores solides pour le séquençage, les électrodes à nanoespacement pour l’effet tunnel quantique et les masques de dépôt destinés aux dispositifs électroniques supraconducteurs. Toutes ces applications n’ont pas été démontrées dans la même expérience.

La méthode pourrait faciliter l’intégration de structures autoassemblées à l’échelle atomique dans des architectures de puces plus grandes. La reproductibilité, les pertes et la fabrication pratique demandent encore des travaux.

La cavité couplée à un guide d’onde présente un intérêt pour renforcer les interactions lumière-matière et pour de futurs dispositifs fonctionnant au niveau du photon unique. L’étude ne mesure cependant aucune amélioration du rendement de conversion d’un panneau solaire. Une application photovoltaïque doit être démontrée séparément.

Cellules photovoltaïques micrométriques à contacts arrière

Dans une étude distincte, des chercheurs de l’Université d’Ottawa et leurs partenaires ont présenté en 2023 les premières cellules photovoltaïques micrométriques à contacts arrière.

Source : www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325?via%3Dihub#abs0015

Le déplacement des contacts électriques vers la face arrière réduit la surface masquée du côté qui reçoit la lumière. Selon la présentation de l’université, l’ombrage dû aux électrodes a diminué de 95 %. Ce chiffre ne représente pas un rendement de conversion de 95 %. La nouveauté concerne cette construction micrométrique, et non les toutes premières cellules à contacts arrière. La baisse du coût de production énergétique est une possibilité annoncée, pas un résultat commercial garanti.

Autres applications possibles

Les deux études portent sur des techniques différentes. Les travaux danois emploient les forces de surface pour autoassembler des cavités optiques ; ceux d’Ottawa concernent des microcellules solaires à contacts arrière. Ces derniers ne prouvent pas que l’effet Casimir a servi à fabriquer une cellule solaire.

Les nanotechnologies pourraient, plus largement, contribuer à des composants électroniques miniaturisés, à de meilleurs matériaux et à des applications médicales. Toutefois, des matériaux de construction plus résistants, des médicaments plus efficaces ou leur administration ciblée n’ont pas été démontrés par ces deux expériences. Chaque application nécessite ses propres recherches.

Les résonateurs autoassemblés représentent une étape dans la nanofabrication. La fiabilité, la production à grande échelle et l’intérêt économique de produits précis restent à évaluer.

Acteurs du secteur

Les entreprises suivantes exercent des activités dans l’énergie solaire. Cette présentation ne signifie pas qu’elles produisent les résonateurs expérimentaux ou les microcellules étudiées. Les différentes technologies n’ont pas non plus le même degré de maturité.

*Les tableaux conservent les chiffres historiques de l’article initial de 2023. Ils ne constituent pas des valorisations actuelles ou nouvellement vérifiées. Il faut contrôler la date, la méthode de calcul et les publications récentes avant toute décision d’investissement.*

1. NextEra Energy Resources

NEE Graphique du prix

NextEra Energy Resources est une filiale du groupe coté NextEra Energy (NEE ). Elle développe, construit et exploite des projets énergétiques, notamment éoliens et solaires. Le graphique et les indicateurs de valorisation concernent la société mère, et non une action Resources cotée séparément. Les anciens chiffres de plus de 150 installations, 26 États américains, quatre provinces canadiennes et 17 000 MW ne sont pas un inventaire actuel vérifié.

2.  First Solar

FSLR Graphique du prix

First Solar (FSLR ) fabrique des modules photovoltaïques à couches minces au tellurure de cadmium et propose leur recyclage. L’ancienne description d’un prestataire assurant aussi le développement, la construction et la maintenance de projets est dépassée. Les activités américaines de développement et les activités nord-américaines d’exploitation-maintenance ont été vendues en 2021, puis d’autres activités connexes en 2022. La documentation de l’entreprise précise qu’elle ne développe, ne construit et ne maintient pas de projets solaires pour des clients.

3. SolarEdge Technologies

SEDG Graphique du prix

SolarEdge Technologies (SEDG ) fournit notamment des optimiseurs de puissance en courant continu et des onduleurs, ainsi que des solutions associées de stockage et de gestion énergétique. L’ancienne liste des métiers ne décrit pas nécessairement le portefeuille actuel. En novembre 2024, le groupe a annoncé la fermeture de sa division Energy Storage en Corée du Sud. Il a précisé que cette décision ne concernait pas les ventes de batteries pour les installations photovoltaïques résidentielles, commerciales et industrielles.

Perspectives

Les cavités optiques autoassemblées et les microcellules à contacts arrière constituent deux avancées distinctes. Les secondes concernent directement le photovoltaïque, tandis que les premières démontrent une méthode de nanofabrication photonique. Leur rapprochement ne prouve pas une amélioration déjà acquise des panneaux commerciaux grâce aux fluctuations quantiques.

Des recherches supplémentaires pourraient améliorer le confinement de la lumière, la miniaturisation et les coûts de fabrication. Les applications dépendront de mesures du rendement réel, de la durabilité et du coût. Ces travaux peuvent contribuer à la transition énergétique, mais ne garantissent ni un calendrier de déploiement ni une solution au changement climatique à eux seuls.