Des chercheurs du Laboratoire de photovoltaïque et d’électronique couches minces (PV-Lab) de l’École d’ingénierie de l’EPFL et du CSEM ont développé une nouvelle cellule solaire qui combine une tension exceptionnelle, un rendement élevé et une fabrication évolutive. Le dispositif triple jonction est composé d’une cellule inférieure en silicium, sur laquelle sont déposées en couches minces une cellule intermédiaire et une cellule supérieure constituées de semi-conducteurs appelés pérovskites. Le nouveau dispositif, selon l’article publié dans Nature, atteint une efficacité certifiée indépendamment de 30,02 %, surpassant le record précédent de 27,1 %.
Le premier auteur Kerem Artuk, doctorant de l’EPFL travaillant désormais au CSEM, affirme que cette réalisation démontre comment les matériaux avancés et l’ingénierie optique peuvent produire des rendements et des tensions comparables aux cellules solaires utilisées dans les applications spatiales – mais potentiellement pour une fraction de leur coût.
« Nous montrons qu’avec une conception et un traitement intelligents, nous pouvons approcher des niveaux de performance traditionnellement réservés aux cellules solaires multi-jonctions III-V les plus chères utilisées dans l’espace, qui sont composées de multiples couches de semi-conducteurs. Celles-ci peuvent atteindre jusqu’à 37 % d’efficacité et coûtent environ 1 000 fois plus que les cellules terrestres par watt. Notre approche ouvre la voie à une nouvelle génération de photovoltaïques multi-jonctions à haut rendement et viables industriellement. »
« Notre première démonstration en 2018 n’avait que 13 % d’efficacité, donc atteindre plus de 30 % d’efficacité aujourd’hui dans un dispositif triple jonction est une réalisation remarquable », ajoute Christophe Ballif, chef du PV-Lab. « Les cellules solaires triple jonction ont un potentiel de rendement encore plus élevé que les cellules simple jonction et tandem – bien au-dessus de 40 %. »
Une architecture qui brise les barrières
L’équipe a abordé deux limitations des cellules solaires triple jonction : la faible tension dans la cellule pérovskite supérieure et la faible génération de courant dans la cellule intermédiaire. Ils ont résolu ces défis par trois ajustements novateurs dans la conception matérielle et optique de leur dispositif. Premièrement, ils ont ajouté une molécule qui guide la formation des cristaux de pérovskite et élimine les défauts, permettant à la cellule supérieure de créer une tension plus élevée (1,4 V) sous la lumière du soleil.
Deuxièmement, ils ont développé une nouvelle méthode en trois étapes pour fabriquer une cellule intermédiaire qui améliore l’absorption de la lumière dans la partie proche infrarouge du spectre solaire. Enfin, ils ont ajouté des nanoparticules entre la cellule inférieure en silicium et la cellule pérovskite intermédiaire qui réfléchissent la lumière solaire supplémentaire vers la cellule intermédiaire, augmentant ainsi son courant.
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Vers une énergie solaire hautement efficace et abordable
Le pérovskite et le silicium sont moins chers à fabriquer que les cellules solaires à semi-conducteurs III-V les plus efficaces disponibles aujourd’hui, qui reposent sur des matériaux coûteux et sont principalement utilisées pour alimenter les satellites. Développer des cellules solaires pouvant atteindre ce niveau d’efficacité à un coût bien inférieur pourrait permettre le développement de technologies solaires de nouvelle génération pour une utilisation à l’échelle des services publics et résidentielle, ou pour des applications spatiales.
Christian Wolff, chef d’équipe à l’EPFL, explique qu’ils continueront à explorer des stratégies de mise à l’échelle pour la fabrication avec le partenaire CSEM, ainsi que des tests de durabilité et l’intégration dans de futurs produits commerciaux.
« Ce projet illustre la puissance de combiner la science fondamentale avec le savoir-faire de l’ingénierie suisse », dit-il. « En démontrant que des matériaux pérovskites à faible coût peuvent approcher les performances des photovoltaïques de qualité spatiale les plus avancés, cette recherche établit un nouveau référentiel pour les photovoltaïques multi-jonctions. »
Article : Triple-junction solar cells with improved carrier and photon management – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude
Source : EPFL
