Il est essentiel de comprendre comment le fonctionnement des cellules solaires change lorsqu’elles passent du laboratoire au monde réel pour optimiser leur conception avant la production de masse. Les chercheurs de KAUST montrent comment les cellules solaires tandem pérovskite/silicium fonctionnent dans un environnement ensoleillé et chaud.
Le silicium domine la production commerciale de cellules solaires. Il est abondant et efficace en tant que convertisseur de lumière en électricité. Mais récemment, les pérovskites sont apparues comme un matériau offrant un potentiel de fabrication à moindre coût grâce à des procédés basés sur des solutions. Leurs propriétés peuvent être réglées par des changements de composition chimique.
Les propriétés optiques et électroniques d’un matériau sont liées à sa bande interdite : l’énergie minimale que les photons entrants doivent absorber. La bande interdite détermine également la quantité de courant produite lorsque le photon est absorbé. Dans une cellule solaire classique, le matériau absorbant la lumière n’absorbe que certaines longueurs d’onde, celles dont l’énergie est supérieure à la bande interdite, laissant une partie de l’énergie du Soleil inexploitée.
Pour tirer parti à la fois de la maturité industrielle du silicium et de la polyvalence de la pérovskite, les scientifiques ont étudié l’utilisation de ces deux matériaux dans un dispositif connu sous le nom de cellule solaire tandem. Celles-ci ont une limite d’efficacité théorique de 44 %, ce qui est supérieur à la limite de 33 % des cellules solaires conventionnelles.
« Une des limites de cette configuration en tandem est que l’on pensait que la bande interdite de la pérovskite devait être plus large que ne le permettaient les compositions de matériaux stables« , explique le premier auteur de l’étude, Erkan Aydin.
Les nouvelles cellules solaires sont testées en laboratoire dans des conditions d’essai standard. Mais les températures ambiantes dans la plupart des zones où les cellules solaires sont déployées sont beaucoup plus élevées que les 25°C standard, et peuvent fluctuer de façon spectaculaire, ce qui affecte les performances.
Aydin et ses collègues ont étudié les performances de cellules solaires en tandem pérovskite/silicium à l’extérieur dans un climat chaud et ensoleillé.
L’équipe KAUST a montré que si la bande interdite du silicium diminue à mesure que l’appareil se réchauffe, la bande interdite de la pérovskite augmente. Cela éloigne les dispositifs de leur point de fonctionnement idéal et réduit l’efficacité des cellules tandem optimisées dans des conditions de test standard. Fait encourageant, cette tendance a pour effet d’abaisser la bande interdite de la pérovskite, ce qui permet d’utiliser des compositions de pérovskite plus stables dans les cellules solaires en tandem.
« Notre recherche se concentrera ensuite sur le fait de pousser l’efficacité de conversion d’énergie de ces dispositifs au-delà du rendement de 26,7 % des cellules solaires au silicium à simple jonction le plus élevé qui ait été signalé, avec une stabilité améliorée« , déclare M. Aydin. « Ces améliorations rapprocheront les cellules solaires tandem pérovskite/silicium du marché« .
