Rendement record pour des cellules solaires en silicium et pérovskite

A Neuchâtel, en Suisse, des chercheurs de l’EPFL et du CSEM ont combiné des cellules solaires en silicium et des cellules à base d’un matériau de type pérovskite, pour obtenir un rendement de 25,2 %. Un record pour ce type de construction en tandem. Leur procédé de fabrication, novateur et simple, pourrait directement s’intégrer dans les chaînes industrielles existantes. Le rendement pourrait à terme dépasser les 30%. Dans le domaine des technologies photovoltaïques, les cellules solaires à base de silicium représentent plus de 90% du marché. Leur rapport coût, stabilité et rendement (20 à 22% pour les cellules typiques du marché) défie toute concurrence. Au bénéfice de décennies de recherche et d’investissement, les cellules solaires en silicium s’approchent à présent de leur efficacité théorique maximale. De nouveaux concepts sont donc requis pour faire baisser les prix de l’électricité solaire sur le long terme et ainsi permettre une large intégration du photovoltaïque dans le paysage énergétique. Une des solutions consiste à superposer deux cellules solaires de nature différente l’une sur l’autre afin de maximiser la conversion des radiations lumineuses en puissance électrique. Ces technologies, dites à double jonction, sont largement étudiées par la communauté scientifique mais présentent des coûts de fabrication élevés. A Neuchâtel, des équipes de recherche du Laboratoire de photovoltaïque et couches minces électroniques de l’EPFL et du CSEM PV-center ont travaillé sur une solution économiquement compétitive. Ils ont intégré une cellule perovskite directement sur une cellule solaire à base de silicium standard, et obtenu le rendement record de 25,2%. Leur méthode de fabrication est prometteuse, car elle n’ajouterait que quelques étapes supplémentaires dans les lignes de production actuelles des cellules en silicium, avec des coûts raisonnables. La recherche est publiée dans Nature Materials.

Une tartine nanométrique de pérovskite sur du silicium

Grâce à ses propriétés, les cellules solaires à base d’un matériau de type pérovskite ont fait une percée remarquée dans la recherche photovoltaïque ces dernières années. En 9 ans, le rendement de ces cellules a été multiplié par six. Ces matériaux permettent un haut rendement de conversion pour des coûts de fabrication potentiellement limités. Dans une configuration en tandem, la pérovskite est complémentaires au silicium : elle convertit avec plus d’efficacité les radiations bleues et vertes du spectre solaire, et le silicium les radiations rouges et infra-rouges. « En les combinant, nous pouvons maximiser l’utilisation du spectre solaire et augmenter la puissance générée. Nos calculs et nos travaux montrent qu’un rendement de plus de 30% devrait être possible bientôt », annoncent les auteurs principaux de l’étude, Florent Sahli et Jérémie Werner. Mais la création d’une structure tandem performante superposant les deux matériaux n’est pas anodine. « En surface, le silicium présente une succession de pyramides d’environ 5 microns, qui piègent la lumière et agissent comme antireflets. Ce relief constitue toutefois un obstacle si l’on veut déposer une couche homogène de pérovskite », explique Quentin Jeangros, co-auteur de la publication. Habituellement déposée sous forme liquide, la pérovskite s’accumule dans les creux entre les pyramides, et laisse les sommets découverts, créant des courts-circuits.

Une couche-clé qui assure une microstructure optimale

Les scientifiques de l’EPFL et du CSEM ont contourné cet obstacle en formant par évaporation une couche inorganique de base couvrant entièrement les pyramides. La porosité de cette couche permet de retenir la solution organique liquide, qui est ajoutée par une technique de déposition de couche mince appelée spin-coating. Les scientifiques chauffent enfin le substrat à basse température (150°C), pour cristalliser une couche homogène de pérovskite sur les pyramides du silicium. «Jusqu’à présent, l’approche standard pour fabriquer une tandem pérovskite/silicium consistait à aplanir les pyramides de la cellule en silicium, ceci au détriment de ses propriétés optiques et donc de sa performance, avant d’y déposer la cellule pérovskite. Cela impliquait également des étapes de fabrication supplémentaires», commente Florent Sahli.

Une mise à jour des technologies en place

Le nouveau type de cellule tandem permet de hauts rendements et une compatibilité directe avec les technologies à base de silicium monocristallin, qui bénéficient d’une longue expertise industrielle et d’une fabrication déjà rentable. « Nous proposons d’utiliser les équipements déjà en place dans l’industrie, et de rajouter quelques étapes spécifiques. Il ne s’agit pas d’une nouvelle technologie solaire en soit, mais bien d’une mise à jour des lignes de production des cellules à base de silicium », commente Christophe Ballif, directeur du Laboratoire de photovoltaïque de l’EPFL, et du PV-Center au CSEM. Pour l’heure, la recherche continue afin de gagner encore en rendement et améliorer la stabilité sur le long terme de la couche pérovskite. Une étape vient d’être franchie mais il reste du chemin à faire avant une potentielle commercialisation.

Financement
Cette recherche a été financée par le projets Nano-Tera.ch Synergy, l’Office Fédéral de l’Energie avec la convention de subvention SI/501072-01, le Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique au travers des projets Sinergia Episode (CRSII5_171000) et NRP70 Energy Turnaround PV2050 (407040), et l’Union Européenne au travers du programme d’innovation et de recherche Horizon 2020 avec la convention de subvention 653296 (CHEOPS).

Références
F. Sahli, J. Werner, B. A. Kamino, M. Bräuninger, R. Monnard, B. Paviet-Salomon, L. Barraud, L. Ding, J. J. Diaz Leon, D. Sacchetto, G. Cattaneo, M. Despeisse, M. Boccard, S. Nicolay, Q. Jeangros, B. Niesen, and C. Ballif, Fully textured monolithic perovskite/silicon tandem solar cells with 25,2% power conversion efficiency, Nature Materials, 2018. DOI: 10.1038/s41563-018-0115-4