Concentrateurs solaires luminescents pour les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments

Promoteur principal

Applied Quantum Materials Inc.

Contexte du projet

L’objectif de ce projet est de convertir des fenêtres en verre ordinaire en des concentrateurs d’énergie solaire luminescent (CESL) modulable afin de générer une distribution d’énergie uniforme. Le but est de transformer des fenêtres en verre ordinaire en un dispositif de production d’énergie fonctionnel qui pourrait être intégré à la structure d’un bâtiment.

Dans ce cadre, des enduits en nanocomposites ont été élaborés et intégrés dans le but de diriger la lumière vers les bords de la fenêtre de façon qu’elle puisse être absorbée par des cellules photovoltaïques.

Les CESL offrent une solution efficace pour optimiser l’exploitation et diminuer les coûts des systèmes photovoltaïques, tout en évitant l’utilisation d’équipements de balisage et de refroidissement complexes. Un LSC permet de concentrer à la fois la lumière solaire directe et la diffuser. Par la suite, il la dirige par réflexion totale interne vers des cellules photovoltaïques situées à l'intérieur du cadre de la fenêtre.

Ce projet se base sur l’incorporation des nanomatériaux de pointe pour convertir notre plus grande source d’énergie primaire, le soleil, en électricité renouvelable à faible teneur en carbone. Par conséquent, les émissions de gaz à effet de serre (GES) et les perturbations des terres par les centrales solaires seront réduits.

Résultats

Les réalisations majeures de ce projet incluent le développement de nanomatériaux, des points quantiques de Silicium, incorporés dans des copolymères. Ces matériaux innovants représentent une nouvelle approche pour le revêtement des fenêtres. Ils permettent une conversion de 3 % de lumière naturelle en énergie. Cette conversion étant limitée par l'efficacité des cellules solaires, tout en maintenant une transparence des vitres d'environ 70 %.

Autres résultats:

• Les chercheurs dans nos laboratoires ont réussi à synthétiser des points quantiques de Silicium avec une longueur d’ondes appropriée (800 -900 nm) et une luminosité adéquate pour la démonstration. Une efficacité d’émission des photons a été évaluée en mesurant le rendement quantique. En outre, la relation entre la taille des points quantiques et la longueur d'onde des photons émis a été identifiée.
• Les points quantiques de Silicium ont été fonctionnalisés avec divers ligands afin d’améliorer leur stabilité et leur compatibilité de surface, tant avec les polymères qu’avec les surfaces en verre. Ces nanomatériaux développés et fonctionnalisés par des copolymères ont finalement montré un rendement quantique de 40 à 53 %.
• La création d'un prototype de guide d'onde LSC a été réalisée grâce à l’optimisation de différentes expérimentations portant sur des méthodes de revêtement en verre et de dilution. L'équipe de projet a testé plusieurs techniques, notamment la pulvérisation au pistolet, la coulée goutte à goutte et la pulvérisation automatisée ultrasonique. Les résultats de ces expériences ont été comparé en tenant compte de certains critères tels que la stabilité thermique, la transparence, l'uniformité, l'humidité et la résistance aux fissures.

Les points quantiques de Silicium en solution (Applied Quantum Materials)

Applied Quantum Materials.

• La simulation d'un concentrateur solaire luminescent a été optimisée et réalisée en collaboration avec Nemsor Technologies Inc. et le département de génie mécanique à l’université de l’Alberta. Cette étude a permis d'explorer divers facteurs, notamment le type de verre, l'épaisseur du verre et du film, la taille des nanoparticules, ainsi que les modèles de diffusion de la lumière et le rendement quantique.
  • À la suite des simulations, l'intégration du LSC avec un système photovoltaïque a été réalisée. Un design optimisé du LSC de 30 x 30 cm a été assemblé, avec des cellules solaires « haute efficacité » disposées autour des bords du verre. Cependant, les tests ont montré que l'efficacité des cellules solaires était inférieure aux attentes, atteignant seulement 11 % au lieu des 21 % annoncés. Cela a conduit à une efficacité de conversion observée de 3 %, en dessus de l'objectif fixé de 5 %.

Avantages pour le Canada

Avantages environnementaux : Réduction significative attendue des émissions de gaz à effet de serre (GES) et une diminution des perturbations causées par l’utilisation des terres.

Ce projet rendra possible la conversion d’énergie solaire durable à faible coût à partir des édifices de bâtiments à consommation énergétique nette presque nulle.

En outre, l'utilisation des façades des bâtiments pour des fermes solaires permettra contribuera à réduire considérablement des perturbations des terres, tout en préservant ainsi des terres précieuses sans avoir besoin de bâtir des centrales solaires.

Les concentrateurs solaires luminescents constituent une nouvelle source d'énergie renouvelable alternative. Ils contribueront à réduire la demande en production et en transmission d'énergie traditionnelle, ce qui entraînera des diminutions significatives des émissions de gaz à effet de serre (GES).

Ce projet contribue à l'expansion de l'industrie canadienne tout en offrant de nouvelles opportunités d'exportation pour des matériaux avancés destinés à l'industrie solaire. Il présente un potentiel significatif pour l'exportation de matériaux de pointe dans le secteur du verre solaire.

Prochaines étapes

Actuellement, nous sommes en train de fabriquer de nouveaux modèles de cadres de fenêtres. Parallèlement, nous explorons des techniques de revêtement supplémentaires pour améliorer l'efficacité de conversion de l'énergie optique en énergie électrique."