fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) ont mis au point un module solaire semi-transparent en silicium cristallin (c-Si) spectralement sélectif destiné à l'agrivoltaïque.
Afin de garantir un éclairage suffisant pour les cultures sous abri, les modules photovoltaïques semi-transparents actuels laissent passer la lumière du soleil à travers des zones de verre transparent, en espaçant des cellules c-Si opaques. Cependant, les plantes n'utilisent qu'une partie limitée du spectre solaire (la partie photosynthétiquement active, ou PAR, d'une longueur d'onde d'environ 400 à 700 nm) pour la photosynthèse. Les modules existants transmettent une grande partie du spectre solaire inutile aux cultures (notamment les longueurs d'onde proches de l'infrarouge), alors que cette partie pourrait être utilisée pour produire de l'électricité – les cellules c-Si étant très efficaces pour convertir la lumière proche infrarouge. Ian L. Thomas, auteur correspondant, explique que l'équipe a intégré des dispositifs optiques spectralement sélectifs dans les espaces entre les cellules des modules semi-transparents. « Ces dispositifs optiques intégrés peuvent rediriger la lumière proche infrarouge vers les cellules c-Si pour la production d'électricité, tout en laissant passer une très forte proportion de PAR. La particularité de cette approche réside dans le fait qu'elle combine astucieusement la technologie dichroïque existante à grande surface utilisée dans le secteur du bâtiment avec les procédés de fabrication actuellement employés dans l'assemblage de modules photovoltaïques. »
Ce module utilise des panneaux solaires TOPCon et un réflecteur de Bragg distribué (DBR), intégré dans une structure en double verre, avec une géométrie de concentrateur planaire, permettant une séparation spectrale efficace par réflexion totale interne. Le DBR est composé de couches alternées d'indices de réfraction différents. En concevant précisément l'épaisseur des couches, la lumière réfléchie subit une interférence constructive, atteignant une réflectivité maximale de plus de 99,9 % dans la plage de longueurs d'onde ciblée. Les chercheurs ont évalué deux technologies DBR commerciales : le revêtement argent-diélectrique et le film polymère multicouche. Ils ont constaté que le film polymère multicouche offrait une réflexion proche infrarouge plus élevée, une absorption lumineuse négligeable et une sélectivité spectrale plus nette, ce qui le rend particulièrement attractif pour le concept de module proposé. Le module repose également sur un concentrateur planaire en forme de V, qui utilise une série de structures réfléchissantes inclinées pour rediriger la lumière solaire incidente vers la zone centrale. Dans la configuration proposée, ces surfaces inclinées orientent la lumière proche infrarouge vers le substrat en verre à un angle permettant la réflexion totale interne, piégeant ainsi la lumière à l'intérieur du module.
Les chercheurs ont utilisé le logiciel MATLAB pour construire un modèle optique complet afin d'évaluer les performances annuelles du module, et les ont comparées à celles d'un module photovoltaïque non transparent traditionnel et d'un module photovoltaïque semi-transparent ayant la même couverture de cellules. Les performances ont été évaluées en fonction de l'efficacité optique, de la conversion électrique et de la transmission PAR. Le modèle suppose des conditions de fonctionnement idéales et simplifie plusieurs facteurs, notamment les variations de tension des cellules, les effets de température, l'éclairage arrière et la réponse lumineuse spécifique des cultures, en se concentrant principalement sur la densité de courant de court-circuit. Des simulations menées sur trois sites en Australie montrent que, sous éclairage direct, le module permet une augmentation de 34 % de la production électrique par rapport aux modules photovoltaïques semi-transparents traditionnels, tout en maintenant une transmission PAR élevée. Les performances dépendent fortement de l'angle d'incidence solaire par rapport à l'orientation de la rainure en V. Le comportement est stable le long de la rainure, mais l'efficacité latérale diminue en raison des limitations de la réflexion totale interne. Cette conception transmet efficacement la PAR nécessaire aux cultures tout en redirigeant la lumière proche infrarouge vers les cellules photovoltaïques pour la production d'électricité.
Les résultats montrent en outre que le film DBR polymère multicouche offre le meilleur équilibre global. Pour un module avec une couverture de cellules de 50 %, l'augmentation annuelle du courant de court-circuit est d'environ 23 à 27 %, tandis qu'une conception avec une couverture de 38 % permet un gain de 34 à 40 %. Dans tous les cas, plus de 90 % de la PAR est conservée, tandis qu'environ 80 % du rayonnement proche infrarouge est redirigé pour la production d'électricité. Thomas indique que l'équipe a construit un prototype de première phase de la taille d'une demi-feuille A4 et a confirmé ses performances par des tests. En filtrant environ 80 % de la lumière proche infrarouge, cette technologie peut réduire la température de surface des cultures dans les zones semi-arides, diminuant ainsi la consommation d'eau. La technologie du module est décrite dans l'article « Modules agrivoltaïques c-Si spectralement sélectifs : évaluation d'une nouvelle approche » (Spectrally selective c-Si agrivoltaic modules: Evaluating a new approach), publié dans Applied Energy.
