La production d’énergie solaire est étroitement liée au taux d’ensoleillement : lorsque le soleil ne brille pas, un panneau solaire ne génère que de très faible quantité d’électricité. Ce qui est un véritable frein pour le déploiement des technologies solaires, notamment dans certaines régions du monde. Mais une équipe de chercheurs pourrait bien changer la donne : une cellule solaire innovante qui fonctionne aussi bien sous un soleil de plomb que sous une pluie battante.
L’intégration des énergies renouvelables aux réseaux électriques est une étape majeure pour la réussite de la transition énergétique mondiale. Ces ressources renouvelables présentent cependant un inconvénient de taille : elles sont en effet intermittentes, c’est-à-dire tributaires des conditions météorologiques.
Cela rend leur production électrique imprévisible et donc peu fiable. C’est pour tenter de remédier à ce frein et favoriser l’expansion du parc photovoltaïque mondial qu’une équipe de chercheurs asiatiques a mis au point un panneau solaire qui fonctionne également sous la pluie.
Valoriser l’impact des gouttes d’eau sur la surface du panneau solaire
Si les énergies renouvelables présentent un avantage de taille dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique (elles n’émettent pas de gaz à effet de serre pour produire de l’électricité), elles sont en revanche intermittentes : les périodes de production sont irrégulières et imprévisibles car dépendantes des cycles de la nature.
Cette caractéristique représente un inconvénient pour la démocratisation des énergies solaires et éoliennes : en raison d’une production peu fiable et rapidement changeante, ces ressources compliquent le travail des électriciens qui doivent assurer en permanence l’équilibre entre l’offre et la demande d’électricité.
Plus concrètement, la production d’énergie solaire est étroitement liée au taux d’ensoleillement : lorsque le soleil ne brille pas, un panneau solaire ne génère que de très faible quantité d’électricité. Ce qui est un véritable frein pour le déploiement des technologies solaires, notamment dans certaines régions du monde. Mais une équipe de chercheurs pourrait bien changer la donne.
C’est dans le département Recherche & Développement de l’université de Soochow, située à Taiwan, qu’un groupe de scientifiques a mis au point un panneau solaire hybride capable de produire de l’électricité aussi bien sous un soleil de plomb que sous une pluie battante.
Cette prouesse est rendue possible grâce à l’utilisation d’un procédé qui permet de récupérer l’énergie produite par les gouttes d’eau lorsqu’elles frappent la surface des panneaux solaires.
Ce procédé, qui porte le nom de nanogénérateur triboélectrique (TENG), crée une charge électrique à partir du frottement entre deux matériaux (comme l’électricité statique).
Un nanogénérateur triboélectrique peut ainsi valoriser l’énergie de la friction d’un pneu de voiture sur la route. Ou, dans le cas qui nous intéresse, capter l’énergie créée par des gouttes d’eau qui entrent en contact avec la surface d’un panneau solaire.
Utiliser des couches de polymère, clef du succès
Ce n’est pas la première fois qu’une équipe de scientifiques tente de développer un système photovoltaïque capable de valoriser la force des gouttes de pluie. En 2016, des chercheurs chinois, Qunwei Tang, Xiaopeng Wang et Benlin He, de l’université chinoise de l’Océan, ainsi que de Peizhi Yang de l’Université normale de Yunnan, ont en effet créé des panneaux photovoltaïques pouvant générer de l’énergie lorsque le climat est inclément, de jour comme de nuit, à partir de l’eau de pluie. Ces panneaux d’un nouveau genre sont conçus en graphène, un matériau très conducteur, capable sous l’effet de l’eau de lier les ions positifs avec leurs électrons : l’élément déterminant dans l’opération permettant de générer un courant à l’aide de la pluie réside dans les impuretés naturelles de l’eau de pluie, plus spécifiquement les sels qui se dissocient en ions négatifs et positifs. Seuls ces derniers, lorsqu’ils atteignent une quantité suffisante, se lient au graphène afin de produire du courant électrique, expliquent les concepteurs. L’eau adhère donc au graphène dans une sorte de condensateur à deux couches, qui entraîne la génération d’électricité par réaction chimique sur toute la surface.
Une innovation qui n’a malheureusement pas donné les résultats escomptés en dehors de leur laboratoire (la production électrique était trop faible lors des essais en condition réelle d’utilisation).
Le graphène est un nouveau matériau issu du carbone. Pour cette découverte, les physiciens Andre Geim et Konstantin Novoselov, ont reçu le prix Nobel de physique en 2010. Ce matériau est de plus en plus utilisé dans la fabrication des panneaux solaires car il est économique. Il permet aussi de réaliser des panneaux semi-transparents.
Pour tenter de contourner cette problématique, les scientifiques de l’université de Soochow ont rapidement compris que le succès de leur projet dépendait de leur capacité à mettre au point un dispositif simple et peu volumineux. L’enjeu était d’intégrer une technologie nanogénérateur triboélectrique sans freiner la pénétration des rayons du soleil (afin de ne pas pénaliser la production photovoltaïque). Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé deux fines couches de polymère pour former un nanogénérateur triboélectrique léger et transparent.
La couche supérieure des panneaux est composée d’électrons enrichis avec du graphène qui réagissent au contact des ions de la pluie pour produire de l’énergie.
Ce dernier a ensuite été combiné à une cellule solaire. Ici, deux couches de polymère ont été utilisées pour former un TENG au-dessus d’une cellule photovoltaïque. En utilisant les empreintes des DVD standard, des chercheurs de l’Université Soochow en Chine ont ajouté des rainures à un polymère pour améliorer son efficacité énergétique. Dans les tests, les couches texturées de polymère ont agi comme une électrode mutuelle pour le TENG et le panneau solaire sous-jacent, conduisant l’énergie entre les deux dispositifs lorsque les gouttes de pluie frappaient.
Les couches supplémentaires étant transparentes, la lumière du soleil pourrait encore être capturée. Autre avantage : le TENG protège la cellule solaire en agissant comme une barrière étanche empêchant l’eau de pénétrer dans le silicium. La surface de l’électrode supprime également considérablement la réflexion indésirable de la lumière.
Lors des essais, le polymère a fonctionné comme une électrode capable d’acheminer l’énergie des gouttes de pluie jusqu’au panneau solaire. Transparent et étanche, ce matériau s’est révélé également efficace pour laisser passer le soleil tout en protégeant la cellule photovoltaïque de l’eau.
Coupler un nanogénérateur transparent à une cellule solaire permet donc d’obtenir un dispositif capable de valoriser l’énergie solaire et l’énergie produite par l’impact des gouttes de pluie.
Pour les chercheurs de l’université de Soochow, il s’agit désormais d’améliorer le rendement de leur panneau solaire nouvelle génération pour en envisager, d’ici quelques années, la commercialisation.
(Source : Le monde de l’énergie 20/03/2018)
