Des panneaux solaires qui font aussi office d'antenne
Les chercheurs de l'EPFL sont parvenus à fusionner antennes et cellules solaires dans un dispositif mixte qui promet une efficacité sans précédent. Un premier pas vers le développement de satellites plus compacts et plus légers, mais aussi vers l'amélioration des systèmes de communication portables utilisés en cas de catastrophe.
Traditionnellement, antennes de télécommunication et cellules solaires ne font pas bon ménage. Elles doivent fonctionner indépendamment pour ne pas interférer. Cette contrainte a par exemple des répercussions sur le poids et la taille des satellites: ils doivent disposer d'une surface assez grande pour accueillir à la fois un système d'antennes - pour émettre et capter des données -, et à la fois des panneaux solaires, pour l'alimentation en électricité.
Dans le cadre de son projet de master effectué au sein du groupe Perruisseau-Carrier, Philippe Dreyer propose de fusionner cellules solaires et antennes. En collaboration avec le groupe Transparent Conductive Oxides (TCOs) du Laboratoire de photovoltaïque (PV-LAB), il a mis au point une surface mixte, qui permet de préserver d'excellentes performances tant pour l'antenne que pour la cellule photovoltaïque.
De quoi réduire substantiellement le volume, le poids et le coût des satellites. Mais pas seulement. Les stations de communication portatives et autonomes, qui sont souvent utilisées pour établir des contacts lors de catastrophes naturelles, pourraient en bénéficier. Dotée de cette nouvelle technologie, elles pourraient devenir plus légères et donc se déplacer plus aisément. «Notre approche est aussi compatible avec des implémentations flexibles. Il serait donc concevable de plier notre dispositif, afin qu'il ne se déploie qu'une fois arrivé dans les lieux sinistrés», illustre le professeur Perruisseau-Carrier, qui a supervisé le projet.
Une structure simple en "couches"
Pour leur étude, les chercheurs ont privilégié l'utilisation d'antennes dites reflectarray (RA), qui comportent l'avantage d'être plates, peu coûteuses et hautement performantes. Ils ont combiné ces antennes à des cellules solaires couches minces de silicium amorphe, développées par le Laboratoire de photovoltaïque et couches minces électroniques (PV-Lab).
Le dispositif est composé de cellules solaires, sur lesquelles un ensemble de conducteurs (résonateurs) a été déposé. Cette structure «en couche» permet de préserver jusqu'à 90% de la performance photovoltaïque. «Ce n'est pas la première tentative de fusionner antennes et cellules solaires. Mais notre méthode a cela de particulier qu'elle permet d'obtenir de bonnes performances à la fois pour l'antenne et à la fois pour le dispositif photovoltaïque, le tout sans toucher à la structure de la cellule solaire d'origine. D'un point de vue technologique, il suffit de prendre une cellule solaire et d'y ajouter une couche conductrice.»
Deux variantes d'antennes ont été mises au point : l'une avec un résonateur en cuivre, qui ne laisse pas passer de rayons optiques là où le métal est déposé, mais qui garantit de très hautes performances pour l'antenne ; et l'autre avec un conducteur dit transparent, qui privilégie les performances de la cellule solaire.
Ainsi, pour les applications futures, on utilisera l'une ou l'autre méthode, selon que l'on veut favoriser le fonctionnement de l'antenne, ou celui des panneaux solaires. «Nous sommes d'autant plus contents que ces résultats sont le fruit d'un simple travail de Master, qui a été prolongé sur quelques mois seulement», se réjouit Julien Perruisseau-Carrier.
Les antennes et cellules solaires de demain
Encore peu répandus, les dispositifs choisis pour cette étude n'ont pas été choisis au hasard : ils sont prometteurs pour le spatial. Développées depuis plus de 20 ans au sein du (PV-Lab), les cellules solaires en couches minces de silicium amorphe comportent l'avantage d'être légères et résistantes aux radiations. «Avec un rendement de 10 à 11%, elles ne sont pas aussi efficaces que les cellules III-V multijonctions traditionnelles», concèdent Christophe Ballif et Monica Morales Masis, du PV-Lab. «Elles permettent cependant un meilleur ratio poids/puissance (en termes de W/kg)».
Les antennes RA font quant à elles partie des technologies de demain. «La NASA enverra un satellite muni de ce type d'antennes et de panneaux solaires lors d'une mission de démonstration technologique prévue en 2014», indique Julien Perruisseau-Carrier, à titre d'exemple. Pour cette mission, La NASA utilise une plateforme avec des panneaux d'un côté et des antennes de l'autre. La possibilité de fusionner les deux dispositifs aurait dans ce cas déjà permis d'économiser de la surface.
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Plus d'information : Copper and Transparent-Conductor Reflectarray Elements on Thin-Film Solar Cell Panels
Groupe Perruisseau-Carrier / Julien Perruisseau-Carrier
Transparent Conductive Oxides group (TCOs) / Monica Morales Masis