Le terme de panneaux solaires à points quantiques vous semble compliqué ?
On vous rassure, le principe est bien plus simple qu’il n’y paraît. Pas besoin de retourner sur les bancs de l’école pour comprendre cette technologie qui va certainement révolutionner la production d’énergie solaire.
En quelques mots, les panneaux solaires à points quantiques sont :
- Une nouvelle technologie, basée sur des nanocristaux semi-conducteur ;
- Des panneaux capables de convertir en énergie une plus grande quantité de lumière, et donc au rendement plus élevé.
Mon Kit Solaire vous explique tout dans cet article.
Introduction aux panneaux solaires à points quantiques
Cet article aura un petit air de cours de physique de 3e…car avant d’expliquer ce que sont des panneaux photovoltaïques à points quantiques, il est important de rappeler comment fonctionne un panneau solaire.
Une cellule solaire photovoltaïque, c’est comme une pile avec un côté négatif (supérieur), et un autre positif (inférieur). Les deux côtés sont principalement composés d’atomes de silicium, auxquels sont ajoutés des atomes avec plus d’électrons dans la couche négative supérieure et des atomes avec moins d’électrons dans la couche positive inférieure.
La lumière du soleil est chargée en photons qui, lorsqu’elle atteint le panneau solaire, arrache des électrons à la couche négative.
Que se passe-t-il ensuite ? Les électrons arrachés vont naturellement se diriger vers le côté positif, ou ils ressentent un manque d’électrons. Et cela va créer de l’électricité.
L’explication est sommaire, mais elle permet de présenter les grandes lignes. Maintenant, voyons voir ce que sont les points quantiques et de quelle manière ils permettent d’augmenter le rendement des cellules photovoltaïques.
Le principe d’un panneau solaire à points quantiques
Un panneau solaire à points quantiques est une innovation qui se base sur l’effet quantique afin de convertir plus de lumière en énergie. Nous avons expliqué ce qui se passe lorsque la lumière entre en contact avec un panneau solaire.
Cependant, il existe différents spectres lumineux, et chaque spectre possède sa longueur d’onde spécifique. En moyenne, un panneau solaire classique transforme en énergie entre 16% et 25% de la lumière reçue. Comment faire pour augmenter le rendement ? En essayant de transformer plus de lumière en énergie. Et pour cela, le meilleur moyen est d’arriver à capter chaque longueur d’onde.
C’est là que les points quantiques entrent en jeu. Les points quantiques sont des particules (le plus souvent du séléniure de cadmium) semi-conductrices de l’échelle du nanomètre. En utilisant l’effet quantique, celles-ci peuvent être “rangées” en couches distinctes et séparées, communément nommées bandes interdites, à l’intérieur même du panneau solaire.
Le fonctionnement d’un panneau solaire à points quantiques
Mais comment fait tout ce petit monde pour produire plus d’électricité ? En rangeant les atomes de silicium et donc les électrons dans des bandes distinctes, les chercheurs arrivent à convertir différents spectres lumineux, correspondant chacun à une profondeur précise. Mais il est aussi possible de réguler la taille de ces points quantiques !
C’est ainsi qu’un panneau solaire à points quantiques fonctionne. La lumière est absorbée par les différents niveaux et tailles des bandes interdites, en fonction de sa longueur d’onde. Les électrons libérés, plus nombreux, s’agitent et cherchent à se déplacer vers la partie positive, créant de l’énergie.
Qu’est-ce que les points quantiques ?
Les points quantiques sont de minuscules cristaux semi-conducteurs. Comme leur nom l’indique, leur taille est de l’ordre du nanomètre, et ils ont généralement 10 000 fois plus petits que l’épaisseur d’un cheveu humain. Leur avantage est de pouvoir capter des longueurs d’ondes particulières de la lumière, en fonction de leur taille, modulable, et de la manière dont ils sont rangés.
La science derrière les points quantiques
Les points quantiques existent depuis plus de 20 ans, mais ils sont utilisés depuis les années 2010 environ. Leur utilité est principalement tournée vers l’imagerie médicale, ou ils permettent de visualiser des cellules précises et d’obtenir un résultat plus net, mais aussi… dans la conception d’écrans ! Les écrans dits QLED (Quantum Dot Light-Emitting Diode) utilisent les points quantiques afin d’offrir des couleurs plus nettes, plus détaillées ainsi qu’une haute luminosité.
Les avantages des cellules photovoltaïques à points quantiques
Rendement potentiellement plus élevé
Les scientifiques et chercheurs s’intéressent à la technologie des points quantiques afin de pouvoir élever le niveau de rentabilité des panneaux solaires à jonction unique actuelle, limitée théoriquement à 30%. Avec les points quantiques, le rendement estimé des panneaux solaires pourrait augmenter jusqu’à 66%. Soit plus du double du rendement théorique d’un panneau solaire classique et le triple des rendements actuels.
Réponse améliorée dans différentes longueurs d’onde
La possibilité de réguler la taille des nanoparticules, ainsi que celle de les ranger dans des bandes délimitées, permet de capter plusieurs longueurs d’ondes, de manière contrôlée. A contrario, les panneaux classiques sont totalement aléatoires et possèdent une capacité de captation plus limitée.
Fonctionnement en faible luminosité
L’effet quantique augmente la densité d’électrons en mouvement, ce qui permet de continuer à produire de l’électricité même sous une faible luminosité (par temps hivernal par exemple).
Durée de vie plus longue et toxicité réduite
Les points quantiques sont connus pour être stables et durables. En les alignant avec justesse au sein d’un panneau solaire, il est possible d’obtenir une durée de vie estimée à 50 ans sans déperdition de rendement majeur ! Actuellement, celle-ci est de 25 à 30 ans.
La toxicité est également un sujet important, puisqu’au départ, ces cellules étaient constituées de plomb et de mercure. Cependant, les chercheurs commencent à trouver des solutions alternatives, dont des cellules au carbone, moins toxiques.
Inconvénients et perspectives futures
Connaître la taille et l’espacement des points quantiques
L’avantage des points quantiques est de pouvoir délimiter leur taille et leur positionnement dans la cellule solaire. Cependant, cet avantage est également un défaut puisqu’il faut arriver à déterminer la position idéale des points quantiques. Celle-ci dépend de différentes choses, dont l’inclinaison que prendront les panneaux photovoltaïques, la région et la météo.
Réussir à intégrer les cellules quantiques dans les dispositifs
Un autre souci est d’arriver à intégrer les particules quantiques dans les cellules solaires. Du fait de leur taille, intégrer et calibrer le positionnement des points quantiques demande une grande précision avec une marge d’erreur de zéro. Toute erreur dans la conception de ces produits brise l’homogénéité des points quantiques et donc le rendement et la durée de vie de ceux-ci.
Coûts de production très élevés
Sans surprise, plus une technologie est minutieuse et compliquée à concevoir, plus son coût est élevé. L’intégration des cellules quantiques dans les panneaux est un processus minutieux, qui est coûteux à reproduire. Ce qui fait des panneaux photovoltaïques à points quantiques des produits extrêmement chers à l’heure actuelle.
Prix et perspectives économiques des panneaux solaires à points quantiques
Coût actuel des panneaux solaires à points quantiques
Le prix moyen d’un panneau solaire à points quantiques est de l’ordre de 1,5 euro par watt. À titre de comparaison, le coût d’un panneau photovoltaïque classique est de 0,1 euros par watt. La technologie à points quantiques est donc pour l’heure 15 fois plus chère.
Réduction des coûts avec l’industrialisation des procédés de fabrication
Évidemment, il est plus que probable qu’à force de développement pour industrialiser cette nouvelle technologie, son coût de revient soit considérablement réduit. Ceci offre, à terme, un potentiel d’exploitation élargie de l’énergie solaire, que ce soit pour les particuliers ou les professionnels.
Retour sur investissement
L’efficacité énergétique actuelle de ce type de panneaux photovoltaïques n’est pas assez élevée pour couvrir un coût de production bien trop élevé. Cependant, il est plus que probable que le prix de production et donc d’achat baisse sur le long terme, ce qui offrira aux panneaux solaires à points quantiques un meilleur retour sur investissement.
Comment vont évoluer les panneaux solaires à points quantiques ?
Les panneaux photovoltaïques à points quantiques sont une technologie qui a largement évolué en une dizaine d’années. Déjà utilisée pour son efficacité dans des secteurs éloignés du photovoltaïque, elle va certainement continuer à se perfectionner. Leur utilisation pour la production énergétique solaire semble prometteuse, et la recherche s’axe sur le meilleur moyen d’industrialiser cette technologie afin de la rendre plus accessible pour la production d’énergie chez les particuliers ou les professionnels.
Conclusion
Une chose est sûre, le solaire n’en est qu’à ses débuts ! Et cela, la technologie des points quantiques l’a prouvé en offrant au photovoltaïque un rendement supposé au-delà des limites connues.
L’utilisation de l’effet quantique et des nanoparticules fait partie des avancées majeures du secteur, mais reste pour l’instant impossible à commercialiser. Les avantages sont là : plus d’efficacité énergétique, plus durable et plus rentable. Ceux-ci sont cependant contrebalancés par une production à grande échelle encore difficile, et un coût 15 fois plus élevé pour une rentabilité “seulement” doublée.
Mais il y a fort à parier que la donne va changer dans quelques années !
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