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RÉSUMÉ
La production d’électricité décarbonée est une nécessité qui appelle le développement de nombreuses technologies. La conversion thermophotovoltaïque consiste à réaliser une conversion directe d’énergie thermique par effet photovoltaïque. Cousine de la conversion photovoltaïque associée au rayonnement solaire, elle permet de récupérer de la chaleur radiative issue de sources de températures entre 500 et 2500 °C. Cet article en présente les principes élémentaires, la science et l’ingénierie, et les applications principales. Alimentés par une grande variété de sources d’énergie primaire, couplés à du stockage d’énergie sous forme thermique à très haute température (1000 à 2500 °C), et avec des rendements de cellules tendant vers 50 %, les systèmes thermophotovoltaïques offrent de nouvelles options pour une production décarbonée d’électricité.
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Rodolphe VAILLON : Directeur de recherche au CNRS - LAAS-CNRS, Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France
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Pierre-Olivier CHAPUIS : Directeur de recherche au CNRS - CNRS, INSA-Lyon, CETHIL, UMR 5008, Villeurbanne, France
INTRODUCTION
La conversion thermophotovoltaïque permet de générer de l’électricité à partir d’énergie thermique rayonnée par un corps chaud porté à très haute température, typiquement supérieure à 1 000 °C. Elle s’inscrit dans un contexte où l’on cherche à valoriser des gisements de chaleur industrielle perdue et à proposer des solutions de production électrique décarbonée, à partir de sources d’énergie renouvelable mais sans la contrainte de l’intermittence, ce qui est possible grâce au stockage d’énergie sous forme thermique à très haute température. Les principes fondamentaux gouvernant la conversion thermophotovoltaïque sont similaires à ceux de la conversion photovoltaïque solaire. Cependant, il est nécessaire d’optimiser les échanges radiatifs entre le corps chaud et la cellule photovoltaïque. Ceci requiert une sélectivité spectrale, et conduit à ce que rendement et puissance électrique générée ne puissent pas être maximisés simultanément. Il faut donc faire appel à la science et à l’ingénierie des transferts radiatifs, de la conversion photovoltaïque et de la gestion de la chaleur pour concevoir judicieusement les éléments du convertisseur. Des rendements de paire supérieurs à 40 % ont été obtenus en conditions de laboratoire. La recherche académique et des entrepreneurs se concentrent sur le développement de batteries thermophotovoltaïques et de concepts avancés permettant de contourner certains verrous.
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4. Conclusion et perspectives
Les dispositifs thermophotovoltaïques sont dédiés à la conversion du rayonnement thermique issu de surfaces rayonnantes de 500 °C à plusieurs milliers de degrés. Pour les températures les plus basses, les matériaux des cellules sont proches de ceux utilisés dans les photodétecteurs infrarouges et diffèrent fortement de ceux utilisés pour les cellules solaires. Inversement, ils s’en rapprochent lorsque la température de l’émetteur est très élevée. L’optimisation des dispositifs requiert une analyse fine du point de fonctionnement dans le diagramme thermodynamique puissance produite-rendement de paire, contrairement au cas des convertisseurs photovoltaïques solaires. L’ingénierie photonique du couple émetteur-cellule est l’un des ingrédients de cette optimisation, l’autre étant le choix des matériaux et leur agencement dans la cellule. Des rendements de paire supérieurs à 40 % ont été obtenus pour des cellules mono-jonctions et des cellules tandems, et des puissances électriques supérieures au W · cm–2 ont été produites pour des températures d’émetteur de l’ordre de 1 500 à 2 000 °C. L’ingénierie des contacts électriques n’a été que très brièvement abordée ici, mais requiert aussi parfois des analyses fines. En raison des puissances thermiques très importantes absorbées par la cellule, son management thermique est également crucial.
Les convertisseurs thermophotovoltaïques s’approchent donc de la maturité à l’heure actuelle, et les premières applications commercialisées devraient permettre rapidement de conforter les choix effectués (matériaux, géométrie, surface de la cellule) ou d’alimenter de nouveaux cahiers des charges. En particulier, la durabilité (dégradation de l’émetteur ou de la cellule) et les impacts environnementaux restent à clarifier. En parallèle, de nouvelles propositions de convertisseurs dérivés sont effectuées, avec des architectures cependant souvent plus complexes, et pourraient trouver des applications à plus long terme.
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BIBLIOGRAPHIE
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(5) - ROY-LAVINDE (B.), LIM (J.), ARNESON (C.), FORREST (S.R.), LENERT (A.) - High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. - In Joule (2024). DOI:10.1016/j.joule.2024.05.002
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