Microcellule française passivée : effet photovoltaïque à 273 K

Dans un laboratoire français, une petite cellule thermophotovoltaïque faisait face à un émetteur thermique à 800 °C. Le dispositif produisait de l’électricité à partir du rayonnement infrarouge de l’émetteur — et une version passivée présentait encore un effet photovoltaïque à 273 K, soit environ 0 °C. C’est le nouveau résultat : une cellule à très faible bande interdite fonctionnant à des températures supérieures à celles habituellement utilisées pour les photodétecteurs infrarouges.

La thermophotovoltaïque, ou TPV, convertit directement le rayonnement thermique en électricité, sans transformer d’abord la chaleur en mouvement. Les cellules à très faible bande interdite peuvent réagir à un rayonnement infrarouge de plus faible énergie, ce qui est utile pour les sources de chaleur à plus basse température. Leur faiblesse réside dans le courant d’obscurité : un flux électrique indésirable qui subsiste même en l’absence de rayonnement incident et réduit la tension ainsi que la puissance produite.

Les chercheurs ont limité ces fuites grâce à une couche barrière de 200 nm en antimoniure d’arséniure d’aluminium, intégrée à un absorbeur en arséniure d’indium/antimoniure d’arséniure d’indium. La barrière crée un décalage énergétique qui limite la circulation des porteurs dans le dispositif. Associée à un traitement de passivation de surface, elle a permis à la structure avec barrière d’être plus de dix fois plus performante qu’une structure PIN conventionnelle à des températures supérieures à 150 K.

Les mesures montrent à la fois le potentiel de la technologie et le chemin qu’il reste à parcourir. À 123 K, les cellules avec barrière ont enregistré des tensions en circuit ouvert d’environ 23 mV et des facteurs de forme proches de 0,2 ; une mesure a produit 0,15 V. Les travaux ont été menés sur des microcellules et des macrocellules de 1 × 1 cm², et les chercheurs indiquent que le dispositif de caractérisation ainsi que la bande interdite de l’absorbeur doivent encore être améliorés.

Qu’est-ce qui pourrait changer en pratique ? Si la conception résiste à de nouveaux essais, elle pourrait réduire les besoins de refroidissement des systèmes TPV destinés au stockage de l’énergie thermique ou à la chaleur des procédés industriels, où l’énergie infrarouge est autrement perdue. Pour l’instant, il s’agit d’un résultat de laboratoire et non d’un générateur déployé, et les chiffres publiés proviennent des essais de l’équipe de recherche réalisés avec une source infrarouge contrôlée.