Course aux tandems solaires : qui décrochera la production de masse ?

Les cellules solaires en tandem, qui combinent différentes technologies photovoltaïques, offrent des perspectives prometteuses pour augmenter l’efficacité de la production d’énergie solaire. Des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département de l’Énergie des États-Unis ont élaboré une feuille de route visant à rapprocher ces cellules de la commercialisation.

Selon les experts, le monde aura besoin de 75 térawatts de photovoltaïque (PV) d’ici 2050, en raison de la croissance démographique et de l’électrification accrue de tous les secteurs énergétiques. Actuellement, la capacité installée mondiale est de seulement 1 térawatt.

La grande majorité des modules solaires utilisés aujourd’hui reposent sur une seule jonction, qui ne peut absorber qu’une fraction du spectre solaire, limitant ainsi leur efficacité. Les cellules solaires en tandem, composées de deux jonctions ou plus, ont le potentiel d’atteindre des rendements bien plus élevés.

Les avantages des cellules en tandem

Kirstin Alberi, auteure principale de l’article paru dans la revue Joule, explique que les cellules solaires multijonctions III-V à haut rendement sont disponibles depuis des décennies, mais à petite échelle et principalement pour des applications spatiales comme l’alimentation des satellites.

De nouveaux types de modules en tandem hybrides utilisant des technologies PV plus évolutives sont actuellement développés par des grands fabricants et des startups, mais aucun n’est encore produit en masse et vendu commercialement.

Une feuille de route pour accélérer le développement

Les chercheurs ont détaillé les avancées nécessaires pour favoriser la production de masse des cellules en tandem :

• Augmenter l’efficacité des cellules solaires à des niveaux records, puis transposer ces rendements aux modules et à la fabrication en grand volume
• Identifier et résoudre les problèmes de fiabilité et de durabilité
• Travailler sur la conception des modules et systèmes PV en tandem hybrides pour accélérer leur déploiement

La feuille de route se concentre sur les tandems hybrides, où deux technologies PV différentes ou plus sont combinées pour fournir une efficacité maximale. Avec une multitude de matériaux conçus pour absorber la lumière du soleil, les combinaisons possibles pour créer des tandems sont nombreuses.

Les pérovskites à halogénure métallique sont considérées comme un premier catalyseur des tandems hybrides du point de vue du coût et de l’efficacité. Elles offrent des rendements suffisamment élevés en tant que cellule supérieure et sont également assez rentables pour que le tandem ait des rendements bien supérieurs à ceux des cellules à simple jonction de l’une ou l’autre technologie.

D’autres matériaux comme l’arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d’indium et de gallium (GaInP) sont également des candidats potentiels pour la cellule supérieure, bien que leur coût de fabrication soit actuellement un frein.

Pour la cellule inférieure, le matériau évident est le silicium, qui domine l’industrie solaire. Un tandem composé d’une cellule supérieure en pérovskite à halogénure métallique et d’une cellule inférieure en silicium détient actuellement le record d’efficacité.

Les défis de l’interconnexion des cellules

Emily Warren, scientifique au NREL et co-auteure de l’article, souligne que les tandems présentent des défis supplémentaires par rapport aux technologies PV à simple jonction :

«Pour les matériaux PV à simple jonction, les modules sont fabriqués en interconnectant les cellules individuelles latéralement en série. Pour les tandems, il existe plusieurs options pour interconnecter les cellules, ce qui ajoute une couche de complexité à la conception des modules en tandem.»

S’inspirer des succès passés

Seules trois technologies PV à simple jonction ont réussi à atteindre une production d’au moins un gigawatt : le silicium, le diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS) et le tellurure de cadmium (CdTe). Le CIGS convient pour une cellule inférieure et le CdTe pour une cellule supérieure.

Le contraste entre les trajectoires de commercialisation du silicium et des cellules en couches minces CIGS et CdTe offre un aperçu des défis à surmonter pour établir une technologie tandem à l’échelle du gigawatt. Le PV au silicium a bénéficié d’investissements majeurs de la communauté des semi-conducteurs, aboutissant à un partage des connaissances et à une standardisation des processus.

Vers un effort collaboratif

La feuille de route propose un effort collaboratif, comme un consortium similaire à ceux créés pour stimuler la fabrication des pérovskites et des panneaux solaires CdTe. Cela rassemblerait l’industrie et les chercheurs « pour discuter des problèmes communs et partager les leçons apprises », selon l’article.

Kirstin Alberi conclut : « Nous pensons que les consortiums pourraient jouer un rôle similaire dans le développement des tandems hybrides, en particulier parce que nous en sommes encore aux premiers stades de la commercialisation de cette technologie. »

Kirstin Alberi et al, A roadmap for tandem photovoltaics, Joule (2024). DOI: 10.1016/j.joule.2024.01.017