La nouvelle conception de cellules solaires en tandem atteint un rendement de 26,4 %, dépassant ainsi la référence précédente de 24,4 % pour des dispositifs similaires.
Des scientifiques de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont présenté une cellule solaire tandem pérovskite-organique dont le rendement de conversion énergétique certifié atteint 26,4 % sur une surface active de 1 cm2, ce qui en fait le dispositif le plus performant de ce type à ce jour. Cette avancée majeure est due à un absorbeur organique à bande interdite étroite nouvellement conçu qui améliore considérablement la capture des photons dans le proche infrarouge (NIR), un goulot d’étranglement de longue date dans les cellules solaires tandem à couche mince.
Cette dernière avancée scientifique a été réalisée sous la direction du professeur adjoint Hou Yi, jeune professeur présidentiel au département d’ingénierie chimique et biomoléculaire de la faculté de design et d’ingénierie de la NUS, qui dirige le groupe de recherche sur les cellules solaires multijonctions à base de pérovskite au Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS) de la NUS.
Libérer le potentiel des cellules solaires tandem
La pérovskite et les semi-conducteurs organiques offrent tous deux des bandes interdites largement ajustables, ce qui permet aux cellules tandem d’atteindre des rendements théoriques très élevés. « Grâce à leur légèreté et à leur forme flexible, les cellules solaires tandem pérovskite-organiques sont parfaitement adaptées aux applications d’alimentation qui fonctionnent directement sur des appareils tels que les drones, les appareils électroniques portables, les tissus intelligents et autres appareils dotés d’intelligence artificielle », a déclaré le professeur adjoint Hou.
Cependant, l’absence d’absorbeurs à couche mince NIR efficaces, qui permettent de capter plus efficacement la lumière solaire dans la région NIR et d’améliorer ainsi le rendement global des cellules tandem, a empêché les cellules tandem pérovskite-organiques de rattraper leur retard par rapport aux autres modèles.
Exploiter le proche infrarouge
Pour relever ce défi, le professeur adjoint Hou et son équipe ont mis au point un accepteur organique asymétrique doté d’une structure de conjugaison étendue, permettant une absorption profonde dans la région NIR tout en conservant une force motrice suffisante pour une séparation efficace des charges et en favorisant un empilement moléculaire ordonné. Des analyses par spectroscopie ultra-rapide et par physique des dispositifs ont confirmé que cette conception permettait une collecte élevée des porteurs de charges libres avec une perte d’énergie minimale.
S’appuyant sur les performances de la sous-cellule organique, les chercheurs l’ont empilée sous une cellule supérieure en pérovskite à haut rendement, en interconnectant les deux couches à l’aide d’un interconnecteur à base d’oxyde conducteur transparent (TCO).
La cellule tandem nouvellement conçue a atteint un rendement de conversion énergétique de 27,5 % sur des échantillons de 0,05 cm2 et de 26,7 % sur des dispositifs de 1 cm2, le résultat de 26,4 % ayant été certifié de manière indépendante. Ces résultats constituent les performances certifiées les plus élevées à ce jour parmi les cellules pérovskite-organique, pérovskite-CIGS et pérovskite à jonction unique de taille comparable.
« Avec des rendements qui devraient dépasser 30 %, ces films flexibles sont idéaux pour la production roll-to-roll et l’intégration transparente sur des substrats courbes ou en tissu. Pensez par exemple à des patchs de santé auto-alimentés qui captent la lumière du soleil pour faire fonctionner des capteurs embarqués, ou à des textiles intelligents qui surveillent les données biométriques sans avoir besoin de batteries encombrantes », a fait remarquer le professeur adjoint Hou.
Prochaine étape
Au cours de la prochaine phase de leurs recherches, l’équipe de NUS se concentrera sur l’amélioration de la stabilité opérationnelle dans le monde réel et sur l’avancement vers la fabrication en ligne pilote – des étapes cruciales pour mettre sur le marché une technologie solaire flexible et à haute performance.
Article : « Efficient near-infrared harvesting in perovskite–organic tandem solar cells » – DOI : 10.1038/s41586-025-09181-x
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