En général, la recherche de matériaux plus efficaces pour les panneaux solaires s’avère un véritable chemin de croix : il faut réaliser des échantillons de laboratoire composé de plusieurs couches de matériaux différents liés ensemble et procéder à des tests approfondis, souvent longs et fastidieux.
Or tout cela pourrait bien changer à terme à la suite de la mise au point par une équipe du MIT et d’autres institutions d’un processus de dépistage qui pourrait accélérer la recherche de nouvelles formulations, mais aussi permettre de faire un travail plus précis de prédiction de performance des futurs matériaux.
Comme l’explique Rachel Kurchin, étudiante diplômée du MIT et co-auteur d’un article décrivant le nouveau processus paru dans la revue Joule, dans le cas des matériaux photovoltaïques (PV), ce sont les porteurs minoritaires – ceux qui sont beaucoup moins abondants dans le matériau – qui limitent l’efficacité globale d’un appareil, et ceux-ci sont beaucoup plus difficiles à mesurer.
De plus, souligne-t-elle, les procédures typiques ne mesurent que le flux de courant dans un ensemble de directions – dans le plan d’un matériau en couche mince – alors que c’est le flux ascendant qui est effectivement exploité dans une cellule solaire en fonctionnement. Dans de nombreux matériaux, ce flux peut être « radicalement différent », ce qui rend essentiel de le comprendre afin de caractériser correctement le matériau, soutient-elle.
« Historiquement, le taux de développement de nouveaux matériaux est lent – typiquement de 10 à 25 ans, explique Tonio Buonassisi, professeur agrégé de génie mécanique au MIT et auteur principal du document mentionné plus haut. L’une des choses qui ralentit le processus est le temps qu’il faut pour tester les dispositifs prototypes en phase de démarrage. Effectuer la caractérisation prend du temps – parfois des semaines ou des mois – et les mesures n’ont pas toujours la sensibilité nécessaire pour déterminer la cause première de tout problème. »
Les travaux conduits par l’équipe du MIT ont récemment permis de développer un ensemble d’outils, qui peuvent être utilisés pour faire des évaluations précises et rapides des matériaux proposés, en utilisant une série de tests de laboratoire relativement simples combinés à une modélisation informatique des propriétés physiques du matériau lui-même, ainsi qu’une modélisation supplémentaire basée sur un méthode statistique connue sous le nom d’inférence bayésienne.
Le système consiste à faire un simple appareil de test, puis à mesurer sa sortie de courant sous différents niveaux d’éclairement et à différentes tensions, afin de quantifier exactement comment la performance varie dans ces conditions changeantes. Ces valeurs sont ensuite utilisées pour affiner le modèle statistique.
« Après avoir acquis de nombreuses mesures de tension [de l’échantillon] à différentes températures et intensités d’éclairage, nous devons déterminer quelle combinaison de matériaux et de variables d’interface convient le mieux à notre ensemble de mesures, explique Tonio Buonassisi.
Représenter chaque paramètre comme une distribution de probabilité nous permet de tenir compte de l’incertitude expérimentale, et cela nous permet également de déterminer quels paramètres sont covariables. Le processus d’inférence bayésienne permet de mettre à jour les estimations de chaque paramètre en fonction de chaque nouvelle mesure, en affinant progressivement les estimations et en se rapprochant toujours plus de la réponse ».
Au dire de ce dernier, « la méthodologie de base pourrait être appliquée à une grande variété d’évaluations de matériaux différentes, et pas seulement aux cellules solaires – en fait, elle peut s’appliquer à tout système impliquant un modèle informatique pour la sortie d’une mesure expérimentale.
Par exemple, cette approche excelle dans la détermination des propriétés matérielles ou d’interface qui peuvent limiter les performances, même pour des piles complexes de matériaux comme les batteries, les dispositifs thermoélectriques ou les composites utilisés dans les chaussures de tennis ou les ailes d’avion. »
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