Exploiter la chaleur : une technologie innovante convertit l'énergie thermique en énergie portable pour usage sur le champ de bataille

Avec l'ajout de capteurs et d'outils de communication améliorés, fournir une énergie portable et légère est devenu plus difficile. Des chercheurs ont maintenant démontré une nouvelle approche pour transformer l'énergie thermique en électricité qui pourrait fournir une énergie compacte et efficace pour les soldats sur les futurs champs de bataille.

Les objets chauds rayonnent de la lumière sous forme de photons dans leur environnement. Les photons émis peuvent être capturés par une cellule photovoltaïque et convertis en énergie électrique utile. Cette approche de conversion d'énergie est appelée thermophotovoltaïque en champ lointain (FF-TPV) et est en développement depuis de nombreuses années ; cependant, elle souffre d'une faible densité de puissance et nécessite donc des températures de fonctionnement élevées de l'émetteur.

Dans la nouvelle approche, la séparation entre l'émetteur et la cellule photovoltaïque est réduite à l'échelle nanométrique, permettant une puissance de sortie bien supérieure à ce qui est possible avec les FF-TPV pour la même température de l'émetteur. Elle permet la capture d'énergie qui est autrement piégée dans le champ proche de l'émetteur — appelée thermophotovoltaïque en champ proche (NF-TPV) — et utilise des cellules photovoltaïques et des conceptions d'émetteurs personnalisées pour des conditions de fonctionnement en champ proche.

La technique a présenté une densité de puissance presque d'un ordre de grandeur supérieure à celle des meilleurs systèmes NF-TPV rapportés, tout en fonctionnant à une efficacité six fois plus élevée, ouvrant la voie à de futures applications NF-TPV. À l'avenir, les NF-TPV pourraient servir de sources d'énergie plus compactes et à plus haute efficacité pour les soldats, car ces dispositifs peuvent fonctionner à des températures de fonctionnement plus basses que les TPV conventionnels.

L'efficacité d'un dispositif TPV est caractérisée par la quantité d'énergie totale transférée entre l'émetteur et la cellule photovoltaïque qui est utilisée pour exciter les paires électron-trou dans la cellule photovoltaïque. Alors que l'augmentation de la température de l'émetteur augmente le nombre de photons au-dessus de la bande interdite de la cellule, le nombre de photons sous la bande interdite qui peuvent chauffer la cellule photovoltaïque doit être minimisé.

Cela a été réalisé en fabriquant des cellules TPV à film mince avec des surfaces ultra-plates et un réflecteur arrière en métal. Les photons au-dessus de la bande interdite de la cellule sont efficacement absorbés dans le semi-conducteur d'épaisseur micronique, tandis que ceux en dessous de la bande interdite sont refléchis vers l'émetteur en silicium et recyclés.

Les chercheurs ont cultivé des cellules photovoltaïques à film mince d'arséniure d'indium gallium sur des substrats semi-conducteurs épais, puis ont décollé la région active du semi-conducteur très mince de la cellule et l'ont transférée sur un substrat en silicium. Les chercheurs ont également effectué des calculs théoriques pour estimer les performances de la cellule photovoltaïque à chaque température et taille d'écart et ont montré un bon accord entre les expériences et les prédictions computationnelles.