Une technique de refroidissement passif appliquée aux modules PV

Le RSC est une potentielle technique de refroidissement passif pour les bâtiments et les modules solaires. En effet, lorsqu’un objet absorbe moins de rayonnement, sa surface perd de la chaleur et un effet de refroidissement peut être obtenu, sans avoir besoin d’énergie.

En France, des chercheurs de l’Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL) ont récemment commencé à étudier les effets du RSC sur les cellules solaires à simple jonction. Ils cherchent ainsi à déterminer le profil d’émissivité thermique idéal des cellules qui pourrait permettre le meilleur refroidissement. « Nous avons également quantifié le potentiel de refroidissement dans un large éventail de scénarios », déclare le chercheur Jérémy Dumoulin à pv magazine.

Selon les scientifiques lyonnais, les systèmes PV sont naturellement de bons candidats pour les techniques RSC qui utilisent la transparence de l’atmosphère terrestre afin d’améliorer le transfert de chaleur radiative : « En pratique, l’amélioration apportée par le RSC consiste à régler l’absorption optique et l’émission thermique dans le domaine de l’infrarouge, permettant également de réduire l’absorption solaire parasite des photons sous-bande interdite. »

D’après Jérémy Dumoulin, cette technique pourrait être appliquée à la fabrication de modules en changeant les propriétés optiques de la couverture en verre. L’absorption solaire parasite pourrait également être améliorée en modifiant les propriétés optiques des cellules. « Nous explorons actuellement différentes voies techniques pour obtenir l’émissivité souhaitée tout en maintenant un faible coût », ajoute-t-il.

Les universitaires ont d’abord développé un modèle thermique et électrique pour mesurer la température et le rendement des cellules. Ils ont ensuite créé un « modèle par étapes » pour établir le profil d’émissivité de la cellule, et ont utilisé ce cadre de modélisation pour comparer les profils – sélectifs et à larges bandes – dans différents scénarios.

Le profil à large bande est le choix idéal pour les scientifiques, dans la mesure où il garantit des températures plus basses et une puissance électrique plus élevée tant que la bande interdite se situe autour de 2,3 eV. Le profil sélectif ne se révèle approprié que pour les cellules solaires dont l’énergie de la bande interdite est supérieure à 2,3 eV. Le silicium cristallin (C-Si), par exemple, a une énergie de bande interdite de 1,11 eV et le tellurure de cadmium (CdTe) – qui est moins efficace que le C-Si pour la production d’électricité – a une bande interdite de 1,44 eV.

Le profil à large bande a permis d’obtenir des températures de module plus basses et un rendement énergétique plus élevé pour une cellule en silicium cristallin avec une bande interdite de 1,12 eV (à condition que l’éclairement solaire dépasse 300 W/mw). Il en va de même pour une cellule en pérovskite avec une bande interdite de 1,64 eV (à condition que l’éclairement solaire dépasse 500 W/m2). « Ceci est valable dans des conditions de ciel clair et même si la convection est supprimée », précise Jérémy Dumoulin.

Ainsi, les améliorations apportées au système RSC pourraient entraîner une réduction de la température des modules PV d’environ 10°C, ce qui pourrait augmenter le rendement des dispositifs de plus de 5 W/m2.

« Pour les dispositifs à base de silicium avec une forte recombinaison non radiative, notre modèle prévoit une réduction de température encore plus importante », affirme le groupe de recherche. « Même dans le pire scénario, un profil à large bande peut encore réduire la température de près de 3 C. »

Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont fait que simuler la technique afin de pouvoir identifier le profil d’émissivité thermique à obtenir et son avantage potentiel. Ils espèrent que cela justifiera la poursuite des recherches. « Nous prévoyons de faire des tests à la fois sur des cellules et des modules » ajoute Jérémy Dumoulin.

Les scientifiques ont décrit cette technique de refroidissement passif dans l’article Radiative sky cooling of solar cells : fundamental modeling and cooling potential of single-junction devices, récemment publié dans Sustainable Energy and Fuels.