L'Université de Jaén, en Espagne, développe un récepteur photovoltaïque pour la transmission d'énergie sans fil par laser avec un rendement proche de 16,3 %

fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Université de Jaén (Universidad de Jaén), en Espagne, ont développé un récepteur photovoltaïque à faible concentration (LCPV) destiné à la transmission d'énergie sans fil par laser (WLPT). Ce récepteur intègre un concentrateur parabolique composé croisé (CCPC) avec un schéma d'interconnexion optimisé, atteignant un rendement de conversion de puissance proche de 16,3 % sous un éclairage laser non uniforme à une longueur d'onde de 806 nm.

La transmission d'énergie sans fil par laser permet d'alimenter des dispositifs tels que des systèmes autonomes, des capteurs distants et des plateformes aériennes sans connexion physique, mais son application est limitée par des contraintes telles que l'alignement optique, les pertes atmosphériques, l'efficacité de conversion, la sécurité oculaire et la protection contre les incendies. L'impact d'un rayonnement non uniforme ou dynamique sur les récepteurs photovoltaïques constitue également un facteur limitant important.

Afin d'améliorer l'efficacité de conversion et la tolérance angulaire sous un éclairage laser non uniforme, l'équipe a développé et caractérisé expérimentalement un récepteur LCPV en configuration 3×3. Le récepteur est composé de neuf cellules en silicium monocristallin de 20×20 mm² chacune, utilisant une architecture à contacts arrière interdigités (IBC), chaque cellule étant couplée à un CCPC. L'ouverture d'entrée du CCPC est 2,5 fois supérieure à la surface de la cellule, ce qui permet de réduire de 60 % la quantité de matériau semi-conducteur par rapport à un récepteur équivalent sans concentration. Le concentrateur est fabriqué en polyméthacrylate de méthyle (PMMA), et l'ouverture frontale totale du récepteur, cadre de support compris, est de 104×104 mm², pour une masse de 123 grammes.

Les expériences ont été menées sous un éclairage laser monochromatique à 808 nm, utilisant un faisceau gaussien d'une puissance de 1,523 W. L'équipe a effectué des mesures courant-tension (I-V) avec et sans CCPC, et a quantifié les pertes d'absorption optique causées par le matériau du concentrateur grâce à des mesures de réponse spectrale. Elle a également enregistré la réponse électrique des neuf cellules à différentes puissances et angles d'incidence, calculé les pertes de désadaptation pour divers schémas d'interconnexion en série et en parallèle, et comparé la puissance mesurée du module à la somme idéale des puissances maximales de chaque cellule.

Les résultats montrent que le courant de court-circuit est la principale source de différence entre les cellules : à une puissance de 5 W, le courant de court-circuit des cellules périphériques est inférieur à 0,1 A, tandis que celui de la cellule centrale est d'environ 0,45 A. La tension en circuit ouvert et le facteur de remplissage restent relativement stables, ce qui indique que la désadaptation de courant est le principal facteur limitant au niveau du module.

Le regroupement des cellules en fonction de leur photocourant permet de réduire considérablement les pertes. La sortie de l'architecture d'interconnexion annulaire est proche de la configuration idéale sans désadaptation : les pertes restent inférieures à 3 % à 5 W, contre plus de 58 % pour la configuration en série et environ 6 % pour la configuration en parallèle. À la longueur d'onde de 806 nm, l'efficacité de conversion de puissance de la configuration annulaire est proche de 16,3 %, celle de l'interconnexion en série est de 6,9 % et celle de la configuration en parallèle est de 15,2 % ; la valeur théorique optimale à 955 nm atteint 18,4 %.

Le récepteur présente également une tolérance angulaire élevée : à un angle d'incidence de 30°, la puissance maximale reste comprise entre 80 % et 90 % de la valeur nominale ; lorsque le faisceau se déplace au-delà de la surface de réception effective, le photocourant et la puissance maximale diminuent nettement à un angle d'incidence de 45°.

Les orientations de recherche futures incluent l'amélioration de l'efficacité de conversion laser-électricité, le développement de récepteurs avec une fenêtre d'acceptance plus large et une plus grande tolérance à un éclairage spatialement variable, ainsi que l'intégration de systèmes adaptatifs de direction de faisceau et de gestion de l'énergie, afin de promouvoir une transmission d'énergie à longue distance plus fiable et plus efficace dans les scénarios où les solutions filaires ou par batteries traditionnelles sont difficiles à mettre en œuvre.

L'équipe conclut que des stratégies efficaces d'équilibrage du courant et des schémas d'interconnexion adaptés sont essentiels pour réaliser des récepteurs photovoltaïques alimentés par laser à haut rendement dans des conditions d'irradiation réelles ; lors de l'utilisation de dispositifs semi-conducteurs à haut rendement, l'ajout d'éléments optiques spécifiques devient une exigence de conception fondamentale, permettant de réduire considérablement la surface effective du semi-conducteur tout en maintenant un rendement de conversion élevé et une tolérance angulaire.

Ces travaux ont été publiés dans la revue Optics & Laser Technology sous le titre « Development and experimental characterization of a c-Si low concentrator photovoltaic receiver for wireless laser power transmission (WLPT) under non-uniform irradiance of 808 nm ».

D'autres chercheurs de l'Université de Jaén ont également développé récemment un module photovoltaïque en silicium cristallin semi-transparent avec concentrateur optique à l'arrière, destiné aux applications agrivoltaïques. Cette conception vise à équilibrer un rendement élevé et une transparence optique, tout en réduisant l'ombre portée du panneau pour répondre aux besoins des scénarios agricoles.