Les cellules solaires bifaciales à couches minces à base de diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS) peuvent capter l’énergie solaire à la fois sur leur face avant et sur leur face arrière, et donc produire potentiellement plus d’électricité solaire que leurs homologues classiques.
Jusqu’à présent, leur fabrication n’a toutefois permis d’obtenir que de modestes rendements de conversion énergétique. Une équipe de l’Empa a mis au point un nouveau procédé de production à basse température qui permet d’obtenir des rendements records de 19,8% pour l’éclairage frontal et de 10,9% pour l’éclairage arrière. En outre, elle a également produit la première cellule solaire tandem bifaciale pérovskite-CIGS, comme l’a récemment publié la revue « Nature Energy », ouvrant ainsi la voie à des rendements énergétiques encore plus élevés à l’avenir.
L’idée est aussi simple qu’elle sonne: Si je peux recueillir la lumière du soleil et également sa composante réfléchie à l’arrière de ma cellule solaire, cela devrait augmenter le rendement énergétique de la cellule. Les applications potentielles sont, par exemple, le photovoltaïque intégré aux bâtiments, l’agrivoltaïque – l’utilisation simultanée de surfaces de terrain pour la production d’énergie photovoltaïque et l’agriculture – et les modules solaires installés verticalement ou à forte inclinaison sur des terrains en haute altitude. La cellule solaire bifaciale est née. Selon l’International Technology Roadmap of Photovoltaics, les cellules solaires bifaciales pourraient conquérir une part de marché de 70 % de l’ensemble du marché photovoltaïque d’ici 2030.
Bien que les cellules solaires bifaciales basées sur des plaquettes de silicium soient déjà sur le marché, les cellules solaires à couche mince sont restées à la traîne jusqu’à présent. Cela est dû, du moins en partie, au rendement plutôt faible des cellules solaires bifaciales à couche mince CIGS, en raison d’un problème de goulot d’étranglement critique: pour qu’une cellule solaire bifaciale puisse collecter la lumière solaire réfléchie à l’arrière, un contact électrique optiquement transparent est indispensable. Pour ce faire, on utilise un oxyde conducteur transparent (TCO) qui remplace le contact arrière opaque des cellules solaires conventionnelles – c’est-à-dire mono-faciales – en molybdène.
Une formation d’oxyde néfaste
Et c’est là que les problèmes commencent: Les cellules solaires CIGS à haut rendement sont généralement produites par un processus de déposition à haute température, c’est-à-dire au-dessus de 550 degrés. Or, à ces températures, une réaction chimique se produit entre le gallium (de la couche CIGS) et l’oxygène du contact arrière transparent – un oxyde. La couche d’interface d’oxyde de gallium qui en résulte bloque le flux de courant généré par la lumière du soleil et réduit ainsi le rendement de conversion énergétique de la cellule. Les valeurs les plus élevées atteintes à ce jour dans une seule cellule sont de 9,0 % pour la face avant et de 7,1 % pour la face arrière. Il est très difficile d’obtenir un bon rendement de conversion énergétique pour des cellules solaires avec des contacts conducteurs transparents à l’avant et à l’arrière », explique Ayodhya N. Tiwari, qui dirige le laboratoire « Thin Film and Photovoltaics » de l’Empa.
C’est pourquoi le doctorant Shih-Chi Yang, dans le groupe de Romain Carron du laboratoire d’Ayodhya N. Tiwari, a mis au point un nouveau procédé de dépôt à basse température qui devrait produire beaucoup moins d’oxyde de gallium – voire aucun. Ils ont utilisé une minuscule quantité d’argent comme une sorte d’ingrédient secret pour abaisser le point de fusion de l’alliage CIGS et obtenir des couches d’absorbeur présentant de bonnes propriétés électroniques à une température de dépôt de 353 degrés seulement.
Lorsqu’ils ont analysé la structure multicouche par microscopie électronique à transmission à haute résolution, avec l’aide de Tzu-Ying Lin, ancien post-doc de Tiwari, actuellement à l’université nationale Tsing Hua de Taïwan, l’équipe n’a pu détecter aucun oxyde de gallium à l’interface.
L’objectif ambitieux: un rendement énergétique de plus de 33 %.
Le rendement de conversion énergétique s’est également amélioré de façon spectaculaire: La cellule a atteint des valeurs de 19,8 % pour l’éclairage avant et de 10,9 % pour l’éclairage arrière, certifiées de manière indépendante par l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire (ISE) à Fribourg/Allemagne – dans la même cellule sur un substrat en verre.
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En outre, l’équipe a également réussi à fabriquer, pour la toute première fois, une cellule solaire CIGS bifaciale sur un substrat polymère flexible, ce qui, en raison de leur légèreté et de leur flexibilité, élargit le spectre des applications potentielles.
Enfin, les chercheurs ont combiné deux technologies photovoltaïques – les cellules solaires CIGS et pérovskite – pour produire une cellule « tandem » bifaciale.
Selon Ayodhya N. Tiwari, la technologie CIGS bifaciale a le potentiel de produire des rendements de conversion énergétique supérieurs à 33 %, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour les cellules solaires à couche mince à l’avenir.
Ayodhya N. Tiwari tente actuellement de mettre en place une collaboration avec des laboratoires et des entreprises clés en Europe afin d’accélérer le développement de la technologie et sa fabrication industrielle à plus grande échelle.
Auteur : MICHAEL HAGMANN
S-C Yang, T-Y Lin, M Ochoa, H Lai, R Kothandaraman, F Fu, AN Tiwari & R Carron; Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells for flexible and tandem applications with silver-assisted low-temperature process; Nature Energy (2022); https://doi.org/10.1038/s41560-022-01157-9
