Des fenêtres photovoltaïques grâce aux boîtes quantiques

L’augmentation de la population mondiale va entraîner un surplus de l’habitat urbain. La consommation électrique des immeubles d’habitation et commerciaux pèse déjà beaucoup sur les réseaux de distribution électriques.

Intégrer à ces constructions des surfaces photovoltaïques utilisant les aires des façades fournirait un appoint important d’électricité sans coût élevé ni d’installation ni  de transport depuis une ferme solaire par exemple. Mais une transparence minimale est nécessaire. Si on dispose entre des plaques de verre des concentrateurs solaires luminescents contenant des fluorophores  qui réémettent de la lumière dans une autre direction, on peut poser latéralement des cellules photovoltaïques ne gênant pas la vue à travers la vitre (Fig.1.) .

Des chercheurs de la société UbiQD, Los Alamos, USA ont perfectionné ce concept et obtenu un rendement de 3, 6% en utilisant comme fluorophores des boîtes quantiques.

Une boîte quantique, dite aussi point quantique, en anglais quantum dot désigne une nanostructure de semi-conducteurs qui se comporte comme un puits de potentiel. Celui-ci confine les électrons dans une région de l’espace de l’ordre de la longueur d’onde des électrons, égale à quelques dizaines de nanomètres dans les semi-conducteurs. Ces objets quantiques ont de nombreuses applications comme des éléments actifs (transistors) de circuits intégrés, des DELs, des diodes laser, des dispositifs photoluminescents et bien d’autres.
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C’est en utilisant trois couches de fluorophores du type de celle de la figure 1 que ce rendement a été obtenu. Les boîtes quantiques sont du type CuInS2/ZnS.

Fig.1. Schéma d'une vitre en verre laminé munie d'une couche intercalaire de polymère contenant des fluorophores Les vitres parallèles constituant le guide d'ondes lumineuses sont en verre à basse teneur en fer, choisi pour sa faible absorption du proche infrarouge. Reproduit avec autorisation de "Optimizing the Aesthetics of High-Performance CuInS2 /ZnS Quantum Dot Luminescent Solar Concentrator Windows Andrés R.M. Velarde, Emily R. Bartlett, Nikolay S. Makarov, Chloe Castañeda, Aaron Jackson, Karthik Ramasamy, Matthew R. Bergren, and Hunter McDaniel ACS Applied Energy Materials, 21 Aug 2020 Copyright 2020 American Chemical Society"

Fig.1. Schéma d’une vitre en verre laminé munie d’une couche intercalaire de polymère contenant des fluorophores
Les vitres parallèles constituant le guide d’ondes lumineuses sont en verre à basse teneur en fer, choisi pour sa faible absorption du proche infrarouge.  Les cellules photovoltaïques attachées au bord des vitres convertissent les photons guidés entre les plaques de verre en courant électrique. 
Reproduit avec autorisation de “Optimizing the Aesthetics of High-Performance CuInS2 /ZnS Quantum Dot Luminescent Solar Concentrator Windows
Andrés R.M. Velarde, Emily R. Bartlett, Nikolay S. Makarov, Chloe Castañeda, Aaron Jackson, Karthik Ramasamy, Matthew R. Bergren, and Hunter McDaniel
ACS Applied Energy Materials, 21 Aug 2020 Copyright 2020 American Chemical Society”

 

Les plaques de verre sont du verre flotté du commerce choisi parmi les verres à faible teneur en plomb qui absorbent le moins l’infrarouge.
Pour faire des mesures comparatives, les chercheurs ont fabriqué des vitres de 15,24 cm x15,24 cm avec 2 ou 3 couches de concentrateurs de lumière solaire équipés de  boîtes quantiques. Sur les 4 bords des vitrages étaient disposées 28 (7 par bord) cellules photovoltaîques en silicium.
La photographie suivante (Fig.2.) montre une de ces vitres à 3 couches.

Fig.3. Photographie d'une vitre photovoltaïque à 3 couches de boîtes quantiques On distingue les 4 plaques de verre entourant les couches de polymère contenant les fluorophores formés de boîtes quantiques. Reproduit avec autorisation de "Optimizing the Aesthetics of High-Performance CuInS2 /ZnS Quantum Dot Luminescent Solar Concentrator Windows Andrés R.M. Velarde, Emily R. Bartlett, Nikolay S. Makarov, Chloe Castañeda, Aaron Jackson, Karthik Ramasamy, Matthew R. Bergren, and Hunter McDaniel ACS Applied Energy Materials, 21 Aug 2020. S.I. Copyright 2020 American Chemical Society

Fig.2. Photographie d’une vitre photovoltaïque à 3 couches de boîtes quantiques
On distingue les 4 plaques de verre entourant les couches de polymère contenant les fluorophores formés de boîtes quantiques.
Reproduit avec autorisation de “Optimizing the Aesthetics of High-Performance CuInS2 /ZnS Quantum Dot Luminescent Solar Concentrator Windows
Andrés R.M. Velarde, Emily R. Bartlett, Nikolay S. Makarov, Chloe Castañeda, Aaron Jackson, Karthik Ramasamy, Matthew R. Bergren, and Hunter McDaniel
ACS Applied Energy Materials, 21 Aug 2020. S.I. Copyright 2020 American Chemical Society

 

L’efficacité ne suffit pas à garantir l’adoption du procédé par les architectes. L’esthétique visuelle de la construction compte aussi. Les concentrateurs solaires luminescents équipés de boîtes quantiques ont tendance à avoir une couleur rouge ou brun- jaune, due à un déséquilibre entre le nombre de photons rouges et bleus réfléchis, qui n’est pas du plus bel effet. L’aspect final résulte de plusieurs facteurs, absorption, réflexion, transmission et émission de la lumière.

La transmission de la lumière visible influe sur la performance et l’esthétique de ces vitres photovoltaïques Comme les architectes préfèrent des teintes grises dites couleurs neutres, les chercheurs ont introduit dans le polymère un pigment non fluorescent de couleur bleu absorbant dans le rouge.  On peut voir sur la Fig.3. l’effet obtenu sur des vitres munies de concentrateurs solaires luminescents à boîtes quantiques.

Fig.2. Comparaison de couleurs A gauche : vitre à concentrateurs luminescents de lumière no modifiée Au centre et à droite : deux vitres de ce type modifiées à l'aide d'un pigment bleu non-fluorescent. Leurs teintes sont neutres. Reproduit avec autorisation de "Optimizing the Aesthetics of High-Performance CuInS2 /ZnS Quantum Dot Luminescent Solar Concentrator Windows Andrés R.M. Velarde, Emily R. Bartlett, Nikolay S. Makarov, Chloe Castañeda, Aaron Jackson, Karthik Ramasamy, Matthew R. Bergren, and Hunter McDaniel ACS Applied Energy Materials, 21 Aug 2020 Copyright 2020 American Chemical Society."

Fig.3. Comparaison de couleurs
A gauche : vitre à concentrateurs luminescents de lumière non modifiée
Au centre et à droite : deux vitres de ce type modifiées à l’aide d’un pigment bleu non-fluorescent. Leurs teintes sont neutres.
Reproduit avec autorisation de “Optimizing the Aesthetics of High-Performance CuInS2 /ZnS Quantum Dot Luminescent Solar Concentrator Windows
Andrés R.M. Velarde, Emily R. Bartlett, Nikolay S. Makarov, Chloe Castañeda, Aaron Jackson, Karthik Ramasamy, Matthew R. Bergren, and Hunter McDaniel
ACS Applied Energy Materials, 21 Aug 2020 Copyright 2020 American Chemical Society.”

Les vitres à concentrateur de lumière solaire à boîtes quantiques offrent une voie intéressante pour la construction d’immeubles à génération intégrée d’énergie. Ces vitres photovoltaïques optimisées incluant plusieurs couches de boîtes quantiques CuInS2/ZnS combinées  à des verres de haute qualité à faible teneur en fer permettent d’atteindre une efficacité de 3,6 % qui est la plus élevée jamais atteintes par des systèmes de vitres. Ceci joint à la possibilité de contrôler les teintes par l’addition de pigments bleus peut permettre à cette technologie de fournir un dispositif viable de source d’énergie intégrée à la construction.

 

 

 

Pour en savoir plus :

 Optimizing the Aesthetics of High-Performance CuInS2 /ZnS Quantum Dot Luminescent Solar Concentrator Windows
Andrés R.M. Velarde, Emily R. Bartlett, Nikolay S. Makarov, Chloe Castañeda, Aaron Jackson, Karthik Ramasamy, Matthew R. Bergren, and Hunter McDaniel
ACS Applied Energy Materials, 21 Aug 2020

 

 

 

 

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