Le principe du Concentrateur Solaire Quantique à Fibres Optiques à Retournement de Photons.
Issu de la recherche fondamentale sur les neutrinos, le Concentrateur Solaire Quantique (CSQ) constitué est une solution d'avenir low-cost et haut rendement pour l'énergie solaire photovoltaïque.
Le CSQ est contitué d'un tapis de Fibres Optiques à Retournement de Photons (FORP) piègeant la lumière solaire, la transformant et la guidant vers une cellule photovoltaïque.
Cette cellule photovoltaïque, formée d'une fine bandelette est disposée sur le périmètre de ce tapis de fibres.
Le concept de retournement de photons est obtenu en faisant coïncider simultanément trois effets quantiques : on fait coïncider la bande de longueur d'onde de fluorescence d'un colorant avec la bande interdite d'une fibre à cristal photonique, ainsi qu'un mode propre de cette fibre.
En pénétrant latéralement dans la fibre par la gaine transparente, la FORP agit comme un concentrateur spectral, en ramenant tout le flux d'énergie compris entre [400-900] nm jusqu'à 950 nm. Tandis qu'une simple fibre optique classique fluorescente en plastique ne laisse sortir que 6 % environ de la lumière solaire incidente, avec une FORP, les calculs théoriques prédisent 80 % à 100 % du flux de photons de la lumière solaire en sortie de fibre après un mètre de parcours environ.
Pour simplifier, la FORP transforme un faisceau de lumière polychromatique et omnidirectionnel en un faisceau de lumière monochromatique et monodirectionnel au maximum d'efficacité quantique du Silicium.
De ce fait, le Concentrateur Solaire Quantique est constitué de 99 % de Plastique et de 1 % de Silicium. Des rendements énergétiques supérieurs à 20 % sont a prévoir.
Avec un coût estimé à 10€/m², tout en ayant des rendements énergétiques élevés, le Concentrateur Solaire Quantique est une technologie de rupture très prometteuse.
En résumé, alors qu'aujourd'hui avec des panneaux solaires classiques, une centrale photovoltaïque de 1 GigaWatt crête coûte environ 1 milliard €, une centrale solaire utilisant la technologie du Concentrateur Solaire Quantique ne coûterait que quelques dizaines de milions €.
Avec une solution low-cost et à haut rendement, ce transfert technologique depuis la recherche fondamentale vers la recherche appliquée et l'industrie constitue une rupture à la fois technologique et économique pour le secteur de l'énergie solaire.
Parfaitement statique et toiturable, le Concentrateur Solaire Quantique ne nécessite pas un lourd et coûteux dispositif de suivi solaire (tracker) comme on en trouve dans le Photovoltaïque à concentration classique (CPV). De plus il peut fonctionner par temps partiellement voilé et ne requiert pas un ciel bleu constant pour focaliser l'image du soleil sur la cellule photovoltaïque comme avec une lentille, contrairement au CPV qui est rentable uniquement sous les tropiques. Par ailleurs, l'échauffement du Silicium des Concentrateurs Photovoltaïques classiques causé par les photons infrarouges inutilisés sur le Silicium est totalement évité. En effet, seuls parviennent au semi-conducteur les photons utiles à l'effet photoélectrique dans le Silicium, les autres n'étant pas transformés par la Fibre Optique à Retournement de Photons.
Rappels théoriques.
La bande interdite d'un cristal photonique ?
Un cristal photonique est une microstruture périodique à 1, 2 ou 3 dimensions de matériaux transparents ayants deux indices optiques différents. L'échelle typique de cette microstructure est la centaine de nanomètres, soit le quart de la longueur d'onde des photons . La principale propriété d'un cristal photonique c'est de faire apparaître une bande interdite qui bloque la propagation de la lumière dans certaines directions et pour certaines plages de longueur d'onde. Le mode de fonctionnement d'un cristal photonique pour les photons est analogue à la conduction des électrons dans un solide cristallin, les mêmes théorèmes de Bloch-Floquet agissent sur les fonctions d'ondes soumises aux conditions de limites périodiques de Born-Von-Karman dont la principale conséquence est l'apparition de bandes de conduction et de bandes interdites.
Le shift de Stokes d'un colorant organique.
En perdant de l'énergie dans des modes de vibration-rotation, une molécule de colorant décale vers le rouge la longueur d'onde d'un photon qu'elle a absorbée en un photon de fluorescence d'énergie moindre. Ce décalage de longueur d'onde ou d'énergie est appelé Shift de Stokes.
D'un point de vu de l'entropie, cette perte d'énergie dans le Shift de Stokes permet de transformer des photons omnidirectionnels et polychromatiques en des photons monochromatiques et monodirectionnels ; ainsi ce n'est qu'en apparence que le système devient globalement plus ordonné.
Le guidage de la lumière dans une fibre optique à cristal photonique.
Alors que dans une fibre à saut d'indice la lumière est confinée dans le coeur de la fibre du fait des réflexions totales à la frontière du dioptre formé par les indices différents des deux matériaux composants le coeur et la gaine de la fibre ; dans une fibre optique à cristal photonique, c'est un phénomène différent qui intervient car avec sa bande interdite la microstructure se comporte comme un miroir parfait avec un coefficient de réflexion élevé, similaire à un miroir diélectrique.
La preuve de concept et sa mise en œuvre par le groupe QUYOS
L'objectif de la preuve de concept est de valider le principe de retournement de photons comme attendu avec ce type de fibre optique fluorescente à cristal photonique.
Sa validation sera apporté par la mesure d'efficacité du taux de photons entrants perpendiculairement à une fibre à une longueur d'onde donnée, par rapport au taux de photons convertis à la longueur désirée et sortants à chacune de ses extrêmités .
Pour mesurer cela un banc de mesure photonique à été mis en place par l'équipe QUYOS de l'IRAMIS. Ce banc photonique permet la mesure d'efficacité de retournement de photons sur une fibre grace à un faisceau laser haché de test qui vient sonder latéralement la fibre tandis que des photodiodes filtrées et un spectromètre effectuent la mesure avec une chaîne d'acquisition bâtie autour d'une détection synchrone (lock-in amplifier).
Ces Fibres Optiques à Retournement de Photons, sont fabriquées sur une tour de fibrage soit à Saclay, soit en sous-traitance à Lannion auprès de la société Photonics Bretagne avec sa platforme PERFOS.
Avec des échelles de l'ordre de la centaine de nanomètres, la microstructure périodique à cristal photonique est obtenue de façon précise par compression homothètique d'un facteur 500 environ, d'une préforme plastique macroscopique formée de l'assemblage hétérogène de la structure périodique à cristal photonique, du coeurs, des colorants et de la gaine.
Cette préforme est obtenue dans le laboratoire de chimie avec le concours de plusieurs spécialistes de chime des plastiques et de chimie des colorants.
Le projet QUYOS met en œuvre les technologies suivantes : optique quantique, cristaux photoniques, chimie des colorants et de la fluorescence, quantum-dots, nanotechnologies, technologie des fibres optiques, plasturgie.
Contacts
