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Les 10 découvertes de 2016

[10] Convertir la lumière en électricité sans (trop) se fatiguer

02-01-2017

Photo: Simon Fafard, par Jean-François Leblanc

Une cellule photovoltaïque ultra efficace vient de voir le jour.

Une puce à peine plus grosse que le chas d’une aiguille. Malgré sa petitesse, celle que le professeur Fafard tient entre ses doigts est la cellule photovoltaïque la plus efficace jamais fabriquée. Jusqu’à 70 % de la puissance lumineuse provenant d’un laser peut y être convertie en courant électrique ! Cela grâce à une microarchitecture nouveau genre.

Les cellules « ordinaires » convertissent l’énergie du Soleil en électricité. Le hic, c’est que, en moyenne, on ne leur attribue pas plus de 15 % à 20 % d’efficacité. La raison : faites de silicium, elles ne transforment qu’une partie de la large gamme de longueurs d’onde de la lumière solaire. Voilà pourquoi il fallait créer une puce qui dissiperait moins d’énergie – tâche à laquelle s’attellent Simon Fafard et ses collègues de l’Institut interdisciplinaire d’innovation technologique (3IT) de l’Université de Sherbrooke depuis 2013, avec l’appui de l’entreprise Azastra.

Avec leurs cellules de nouvelle génération, l’équipe diminue les pertes en utilisant un semi-conducteur composé de gallium et d’arsenic, nommé GaAs. Ce composé peut convertir une source lumineuse monochromatique, c’est-à-dire d’une seule couleur (dans ce cas-ci un laser infrarouge qui émet à 850 nanomètres de longueur d’onde) avec une très grande efficacité.

Le cœur de la découverte revient toutefois à la disposition précise du GaAs. Plutôt que de placer le semi-conducteur en une géométrie planaire ressemblant à des pointes de pizza – agencement habituel pour les cellules servant à convertir l’énergie lumineuse d’un laser – les chercheurs ont plutôt opté pour une construction monolithique verticale.

Les physiciens sont arrivés à leurs fins par épitaxie, un processus grâce auquel de fines couches de semi-conducteur croissent en cristaux sur un substrat. On arrive ainsi à faire s’empiler en une séquence prédéterminée des couches de GaAs épaisses de 44 nanomètres (2 500 fois plus fines qu’un cheveu). La séquence et le nombre de couches déterminent le voltage. Comme les couches ne sont pas empilées mécaniquement, mais plutôt créées de manière monolithique en un cristal quasi parfait, cela occasionne de moins grandes pertes d’énergie. Ils ont exposé leur réussite en février dernier dans la revue Applied Physics Letters.

Le nouveau procédé, hautement technologique, est en instance de brevet. Avec un voltage de sortie entre 5 V (nécessaire à une clé USB) et 12 V (suffisant pour l’automobile), le monde du photovoltaïque vient de faire un grand pas en avant, à en croire Simon Fafard.

Les applications ? « Cette découverte mène à une source de puissance à l’épreuve des interférences électromagnétiques », explique le professeur. Ainsi, en imagerie par résonance magnétique, il faut extraire des signaux qui se trouvent dans un environnement où il y a de fortes perturbations. « Il est difficile d’avoir des fils électriques de métal pour transférer la puissance ou l’information dans ces situations. Un faisceau laser passant dans une fibre optique présente une bien meilleure solution. » La technologie pourrait aussi servir afin de recharger des drones en vol et pour tout autre besoin de transmission d’énergie sans fil.

Ont aussi participé à la découverte : Mark York, Francine Proulx, Richard Arès, Vincent Aimez  (Université de Sherbrooke), Christopher Valdivia, Matthew Wilkins et Karin Hinzer (Université d’Ottawa) et Denis Masson (Azastra Opto Inc).

 

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