Les cellules solaires tandem fixent de nouvelles normes d'efficacité énergétique

Produire suffisamment d’énergie solaire pour la transition énergétique constitue un défi, particulièrement dans un petit pays comme la Suisse. Des cellules solaires plus efficaces, donc capables de convertir une plus grande part de la lumière incidente du soleil en électricité, pourraient y contribuer de manière décisive. Il vaut la peine d'investir dans l'efficacité des cellules : leur prix n'a cessé de baisser au cours des dernières années et ne représente aujourd'hui qu'une petite partie des coûts d'une installation photovoltaïque. Un gain d'efficacité se traduit également par un gain de rendement électrique malgré le fait que les coûts ne sont que légèrement supérieurs ou même identiques. Dans ce contexte, les chercheurs de l'EPFL et de l'EMPA développent conjointement la prochaine génération de cellules solaires.

Ils espèrent ainsi contribuer à la persistance de la forte tendance à la hausse du rendement des cellules solaires. Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont non seulement décidé d'améliorer la technologie existante, mais aussi d'innover. En effet, le rendement des cellules solaires courantes est déjà proche de la limite théorique et ne peut être que légèrement augmenté. La raison en est l'utilisation incomplète des photons à haute énergie par les cellules solaires classiques. La quantité d'électricité que ces cellules prélèvent d'un seul photon est fixe, et correspond à l'énergie dont a besoin un photon pour surmonter ce que l'on appelle la bande interdite. Les matériaux à faible bande interdite mettent à profit une grande partie du spectre lumineux, mais l'énergie excédentaire des photons à haute énergie dans le domaine spectral jaune à ultraviolet est perdue. En revanche, les matériaux à large bande interdite ont un meilleur rendement dans ce domaine, mais les photons de la plage rouge et infrarouge sont trop faibles pour surmonter la bande interdite et ne fournissent donc pas d’électricité.

Repenser la cellule solaire

Selon les chercheurs, la solution à ce dilemme réside dans la cellule tandem à deux couches actives : la première, caractérisée par une large bande interdite, absorbe la partie riche en énergie du spectre lumineux, tout en laissant passer la lumière rouge et infrarouge plus faible. Cette lumière résiduelle est captée par la deuxième couche (couche inférieure) à faible bande interdite. Ce principe du tandem permet un rendement d'environ 30 %, ce qui est nettement supérieur à l'efficacité maximale d'environ 25 % atteinte par les cellules monocouches en usage aujourd’hui.

Les scientifiques ont choisi les meilleurs représentants de la génération photovoltaïque actuelle pour construire leur nouvelle cellule tandem : le numéro un en silicium ou la cellule en couche mince en cuivre-indium-gallium-séléniure (également appelé chalcogénure) servent de couche de base. Ces deux types de cellules ont une faible bande interdite et sont donc inefficaces dans le domaine hautement énergétique du spectre lumineux. Pour la deuxième couche de la cellule tandem, les chercheurs ont choisi la pérovskite, un matériau ayant connu un grand succès ces dernières années. Il est peu coûteux, flexible à l’usinage et à même de convertir efficacement des photons de haute énergie grâce à une bande interdite variable.

Alliance difficile

Les éléments du tandem recherché sont déjà sur le marché, mais sous forme de cellules monocouches. Pour leur assemblage, les chercheurs ont donc dû procéder à un certain nombre d'ajustements, tout en évitant de modifier les étapes de production industrielle existantes, car de telles interventions entraînent facilement des coûts supplémentaires.

Cette approche a donné lieu à un problème particulier : la cellule en pérovskite, couche supérieure du tandem, doit être perméable à un certain domaine du spectre lumineux, ce qui fait que l'électrode ne peut pas consister en un revêtement d’or classique. Les chercheurs de l’EMPA ont donc mis au point des matériaux à base d'oxydes métalliques, à la fois électriquement conducteurs et transparents, qui permettent le passage de plus de 80 % de la lumière dans le domaine des ondes longues.

La cellule solaire de la couche inférieure du tandem a, elle aussi, dû être adaptée afin d'atteindre un haut degré d'efficacité. Pour améliorer par exemple le rendement dans le proche infrarouge, les chercheurs de l’EMPA ont modifié la bande interdite de ces cellules en couche mince.

Des records issus de la pépinière technologique suisse

Ce tandem composé d'une cellule solaire en couche mince optimisée surmontée d'une cellule de pérovskite a permis de prouver que les cellules tandem atteignent des rendements plus élevés que les cellules monocouche classiques. Avec un rendement de 22,7 %, la cellule tandem atteint 3,2 points de pourcentage de plus que la plus efficace des deux cellules simples.

Les chercheurs de l'EPFL suivent une voie légèrement différente. Leur tandem silicium-pérovskite est monolithique, donc fabriqué d'un seul bloc. Ce procédé est plus économique et réduit les pertes de lumière utilisable. La production est cependant complexe et le couplage des deux cellules représente un défi important : Tout d’abord, les processus de fabrication des couches supérieure et inférieure doivent être compatibles. Afin d'éviter des températures de traitement trop élevées, par exemple, les chercheurs remplacent le revêtement d'oxyde de titane couramment utilisé dans les cellules de pérovskite par un revêtement d'oxyde d'étain. Ce nouveau procédé de revêtement fonctionne à basse température et optimise simultanément l'efficacité de la cellule.

Le fait que les cellules de silicium produites industriellement ont une structure de surface gravée sous forme de petites pyramides a été un casse-tête particulier pour les chercheurs. Ces pyramides absorbent la lumière mieux qu'une surface lisse, mais du fait qu’elles sont beaucoup plus grandes que l'épaisseur de la cellule de pérovskite, elles ne peuvent être revêtues uniformément par les procédés classiques. Plutôt que de lisser simplement la surface, ce qui dégrade les propriétés optiques, les chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode pour appliquer la couche de pérovskite. Ce procédé, ainsi que de nouveaux matériaux pour le couplage des couches, ont permis aux chercheurs de réaliser une percée : leur cellule tandem en silicium-pérovskite atteint un rendement de 25,2 % et a été la première en son genre à franchir le seuil des 25 %. Au cours du développement industriel, l'efficacité a même été augmentée à 28 %.

Accroître la production d'énergie solaire grâce à la technologie

Ce succès illustre l’énorme potentiel des cellules solaires tandem. Un usage à grande échelle de ces cellules très efficaces réduirait aussi bien les surfaces nécessaires que, grâce aux faibles coûts de fabrication, les coûts par kilowattheure d'énergie solaire. Pour y parvenir, les cellules tandem doivent cependant être aussi résistantes que les cellules solaires à couche unique. Cet objectif n’est toutefois pas encore atteint, la cellule pérovskite étant beaucoup moins durable que les cellules techniquement optimisées en silicium et à couche mince. Les chercheurs se consacrent actuellement à améliorer la durabilité de la cellule en pérovskite, non seulement en raison de ses excellentes perspectives techniques, mais aussi dans le but de renforcer la position de leader mondial de la Suisse dans le domaine des cellules solaires tandem.