Bien plus qu'un simple interstice : les couches intermédiaires dans les cellules photovoltaïques

Par quel procédé l'électricité est-elle produite à partir de la lumière du soleil ? Bien que la transformation dans les cellules solaires semble presque magique, ce sont des matériaux hautement performant et capables d’absorber la lumière qui la rendent possible. Une cellule solaire ne fonctionne que si elle contient des couches dites intermédiaires, donc des couches aux propriétés optiques et électriques spéciales qui entourent les composants actifs de la cellule. Ces couches intermédiaires remplissent dans les cellules photovoltaïques des fonctions aussi vitales que les membranes dans les cellules biologiques. Ce n'est que grâce à elles que l'énergie absorbée au cœur de la cellule solaire peut être transformée en courant électrique.

Des chercheurs de l'Empa et de l'EPFL se sont attelés à la tâche importante d'optimiser les propriétés des couches intermédiaires. Ils jettent ainsi les bases pour le développement de cellules solaires plus efficaces et plus durables, et ouvrent la voie à des méthodes de fabrication plus simples. Outre l’amélioration de technologies déjà très performantes, ces recherches faciliteront également le développement de nouveaux produits tels que des cellules solaires pouvant être exposées des deux côtés à la lumière du soleil ou des cellules tandem pour une production d’énergie en deux étapes. De tels concepts innovants posent des exigences nouvelles en termes de performance et de propriétés des couches intermédiaires.

Des assistants invisibles

Le mécanisme sensible de production d'électricité à partir de la lumière met en évidence les multiples tâches des couches intermédiaires. Dans un premier temps, l'absorption d'un photon conduit à l’expulsion d'un électron de sa structure habituelle. Cette particule chargée négativement devient ainsi un porteur de charge mobile, alors qu’à son emplacement initial est créé une lacune qui se comporte comme une particule à charge positive. On parle d'une paire électron-trou. Lorsque l'électron retombe dans ce trou, son énergie se dissipe sous forme de chaleur ou de lumière. Pour empêcher ce phénomène appelé recombinaison, l'électron négatif et le "trou" positif doivent emprunter des voies différentes. Ce processus dépend entièrement des couches intermédiaires susmentionnées. Celles-ci doivent effectuer leur travail sans obstruer le flux de la lumière, donc de la source d'énergie qui anime l'ensemble de l’opération.

À la recherche d'alternatives ingénieuses

De nombreux développements actuels visent donc à rendre les couches intermédiaires optiquement plus transparentes ; sans pour autant réduire les performances électriques, bien entendu. Les cellules photovoltaïques en silicium sont une technologie éprouvée que les chercheurs espèrent perfectionner. Le noyau cristallin de ces cellules est généralement entouré de couches intermédiaires en silicium amorphe (non cristallin), idéales pour une décharge sans perte de charges électriques, mais malheureusement responsables de l'absorption de la lumière sans production d'électricité. En remplaçant ces couches par des oxydes métalliques transparents, les chercheurs ont réussi à réduire les pertes, tout en simplifiant le processus de fabrication.

Un problème similaire se pose avec un autre type de cellule solaire : dans les cellules en couche mince à base de séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS), trop de lumière est absorbée par une surface intermédiaire en sulfure de cadmium. Les scientifiques ont réussi à amincir la couche intermédiaire en remplaçant une couche adjacente en oxyde de zinc par un composé zinc-titane.

Sur le plan technique, les cellules tandem sont encore plus exigeantes. Les deux couches de ces cellules solaires exploitent des longueurs d’ondes différentes de la lumière. La cellule supérieure doit donc être totalement transparente dans une certaine plage du spectre lumineux, ce qui nécessite, entre autres, des alternatives transparentes pour les électrodes qui sont normalement en or. Grâce à de nouveaux revêtements, les chercheurs ont obtenu pour la cellule supérieure une perméabilité de 80,4 % dans le proche infrarouge, voire supérieure pour certaines couches.

La clé du progrès

La couche supérieure de la cellule tandem étant constituée de pérovskite, un matériau sensible à la température, les exigences technologiques liées à ces nouveaux développements sont élevées, particulièrement lorsque les cellules tandem doivent être fabriquées d'une seule pièce. Ce procédé requiert en effet la compatibilité de deux technologies de fabrication très différentes.

Cependant, les cellules tandem ne sont pas encore commercialisables : la durée de vie de la cellule supérieure en pérovskite est encore insuffisante. Ici aussi, les couches intermédiaires font partie intégrale tant du problème que de la solution. Les progrès réalisés par les chercheurs moyennant des matériaux innovants en sont la preuve.

Les couches intermédiaires des cellules solaires représentent un domaine important de recherche. De nouveaux matériaux et procédés sont sources de résultats révolutionnaires et ouvrent ainsi la voie à une nouvelle génération de cellules photovoltaïques, dont les cellules solaires tandem à rendement record décrites ici.