Les retombées de la recherche: Commercialisation et transfert des connaissances — juin 2011
Une source d’ énergie invisible, mais bien réelle
Les énergies de remplacement connaîtront un brillant avenir si les chercheurs tel que Karin Hinzer arrivent à mettre au point une technologie solaire qui capte plus de lumière.
par Tim Lougheed
Karin Hinzer, professeure agrégée de l’ École de génie électrique et de science informatique, étudie cette perspective depuis plus de dix ans. Elle a abandonné sa carrière de physicienne à la fin des années 1990 pour étudier les lasers au sein de Nortel Networks. Karin Hinzer s’ est ensuite installée à l’ Université d’ Ottawa, en 2007, pour occuper la Chaire de recherche du Canada sur les nanostructures photoniques et les dispositifs intégrés. C’ est là qu’ elle a mis sur pied le SUNLab, l’ une des installations de recherche en technologie solaire les plus influentes au pays.
Entre-temps, elle est devenue une membre pivot du Photovoltaic Innovation Network, un réseau national de collaboration entre l’ industrie, le gouvernement et le milieu de la recherche visant à faire avancer les systèmes à énergie solaire. Bien que ces systèmes soient maintenant commercialisés et largement répandus, Karin Hinzer affirme que l’ on est encore loin d’ utiliser cette technologie à son plein potentiel.
« Les panneaux traditionnels que l’ on achète ont une simple jonction PN », explique-t-elle, faisant référence aux circuits généralement utilisés dans les dispositifs à semi-conducteurs pour faire fonctionner les appareils électroniques modernes. « La lumière est absorbée par le semi-conducteur. Le problème, c’ est que seule une partie du spectre solaire est absorbée. »
Cette limitation explique pourquoi les panneaux solaires actuellement disponibles sur le marché ont un rendement d’ environ 20 %, ce qui signifie que seul ce faible pourcentage de l’ énergie qui entre en contact avec le panneau est converti en électricité utilisable. La professeure Hinzer concentre ses travaux sur des modèles beaucoup plus complexes visant à augmenter le rendement de ces panneaux à 40 %.
À l’ intérieur du panneau est installé un assemblage de miroirs et de lentilles pouvant concentrer une quantité de lumière solaire ayant jusqu’ à 1 000 fois l’ intensité du rayonnement d’ origine. Plutôt que d’ entrer en contact avec un semi-conducteur unique, l’ énergie solaire est captée par un dispositif formé de trois couches de semi-conducteurs. La couche du dessus est faite d’ un composé de gallium, d’ indium et de phosphure qui absorbe le rayonnement ultraviolet; au centre se trouve un composé d’ arséniure de gallium recevant le spectre visible, et la couche inférieure est faite d’ un composé de germanium, sensible au rayonnement infrarouge.
Le principe de base est simple : chaque couche capte une différente partie du spectre solaire, ce qui permet d’ augmenter la quantité totale d’ électricité produite. Toutefois, fabriquer un assemblage aussi complexe de semi-conducteurs, qui permettra aux différentes parties du spectre solaire de pénétrer à travers ses multiples couches, est loin d’ être simple. Pour accomplir cette tâche, Karin Hinzer et ses collègues utilisent des semi-conducteurs hors du commun appelés points quantiques.
Ces nanocristaux possèdent les mêmes propriétés semi-conductrices que le matériau dont ils sont issus. Qui plus est, ces propriétés peuvent maintenant être appliquées sur des films assez minces pour laisser passer la lumière. Selon le matériau choisi et la structure de cristaux créée, chaque point peut être réglé pour réagir aux longueurs d’ onde spécifiques de la lumière.
Un des principaux défis des chercheurs est d’ atteindre le mélange parfait d’ éléments, car un point quantique ne contient que 1 000 atomes. Néanmoins, des progrès ont été réalisés, et la professeure Hinzer a bon espoir que cette approche continuera à produire les améliorations de rendement désirées.
Incorporer ce type de technologie dans des systèmes de concentration à prix modique produit un résultat efficace, qui ressemble beaucoup aux systèmes classiques de panneaux solaires plans. Ses travaux ont déjà valu à la professeure Hinzer le prix Canadian Energy Innovation Award des Centres d’ excellence de l’ Ontario, un honneur qu’ elle a partagé l’ automne dernier avec la société torontoise Morgan Solar inc. L’ entreprise commercialise aujourd’ hui cette nouvelle génération de panneaux solaires sous le nom de « Sun Simba ». Ces panneaux pourraient être largement utilisés en Ontario et partout dans le monde.
Le SUNLab se présente comme le seul centre de recherche universitaire au Canada à étudier le modèle du Sun Simba. Il protège aussi la propriété intellectuelle brevetable qui y est créée, en plus d’ attirer de nouveaux partenaires de l’ industrie pour des collaborations à d’ autres projets. Ces différentes activités ouvrent la porte à la création de nouveaux produits et d’ échanges commerciaux pour lesquels l’ uni¬versité pourrait exiger des droits d’ exploitation. Pour Karin Hinzer, cependant, la plus grande réalisation du laboratoire, c’ est le talent qu’ il révèle.
« Un extraordinaire transfert s’ effectue lorsque des étudiants diplômés et des chercheurs quittent le SUNLab pour se joindre à des entreprises émergentes ou à d’ autres, bien établies, qui cherchent à développer un nouveau domaine d’ activités, explique-t-elle. Ils apportent avec eux de profondes connaissances touchant la théorie, les procédés, la fabrication, l’ expérimentation, la chaîne d’ approvisionnement et les clients potentiels. Certains décident même de former leur propre entreprise, apportant une force nouvelle dans une industrie déjà existante ou un secteur spécifique.
Des solutions qui laissent une empreinte arbone plus faible et produisent une énergie solaire à densité de puissance plus élevée sont maintenant accessibles pour une utilisation à grande échelle partout dans le monde – Karen Hinzer