Des nano-couches transparentes pour plus d’énergie solaire

Il n’y a pas de moyen moins cher de produire de l’électricité aujourd’hui que le soleil. Des centrales sont actuellement construites dans des endroits ensoleillés qui fourniront de l’électricité solaire pour moins de deux cents par kilowattheure. Les cellules solaires disponibles sur le marché à base de silicium cristallin rendent cela possible avec des rendements allant jusqu’à 23 %. Elles détiennent donc une part de marché mondiale d’environ 95 %. Avec des rendements encore plus élevés, supérieurs à 26 %, les coûts pourraient encore baisser.

Un groupe de travail international dirigé par des chercheurs en photovoltaïque du Forschungszentrum Jülich prévoit maintenant d’atteindre cet objectif avec un matériau transparent nanostructuré pour la face avant des cellules solaires et un design sophistiqué. Les scientifiques rendent compte du succès de leurs nombreuses années de recherche dans la célèbre revue scientifique « Nature Energy ».

Les cellules solaires en silicium n’ont cessé d’être améliorées au cours des dernières décennies et ont déjà atteint un niveau de développement très élevé. Cependant, l’effet perturbateur de la recombinaison se produit toujours après l’absorption de la lumière solaire et la génération photovoltaïque de porteurs de charge électrique. Dans ce processus, les porteurs de charge négatifs et positifs déjà générés se combinent et s’annulent avant de pouvoir être utilisés pour le flux d’électricité solaire. Cet effet peut être contré par des matériaux spéciaux qui possèdent une propriété particulière : la passivation.

« Nos couches nanostructurées offrent précisément cette passivation souhaitée« , explique Malte Köhler, ancien doctorant et premier auteur de l’Institut de recherche sur l’énergie et le climat de Jülich (IEK-5), qui a depuis obtenu son doctorat. En outre, les couches ultra-minces sont transparentes – l’incidence de la lumière est donc à peine réduite – et présentent une conductivité électrique élevée.

« Aucune autre approche jusqu’à présent ne combine ces trois propriétés – passivation, transparence, conductivité – aussi bien que notre nouvelle conception« , déclare le Dr Kaining Ding, chef du groupe de travail de Jülich. Un premier prototype de la cellule solaire TPC de Jülich a atteint un rendement élevé de 23,99 % (+- 0,29 %) en laboratoire. Cette valeur a également été confirmée par le laboratoire indépendant CalTeC de l’Institut de recherche sur l’énergie solaire de Hamelin (ISFH). Cela signifie que la cellule solaire TPC de Jülich se situe encore légèrement en dessous des meilleures cellules en silicium cristallin fabriquées en laboratoire à ce jour. Mais des simulations effectuées en parallèle ont montré que des rendements de plus de 26% sont possibles avec la technologie TPC.

« En outre, nous n’avons utilisé que des procédés de fabrication qui peuvent être intégrés relativement rapidement dans la production en série« , souligne M. Ding, qui souligne l’avantage par rapport à d’autres approches de recherche. Avec cette stratégie, les scientifiques de Jülich ouvrent la voie à leur développement du laboratoire à une production industrielle de cellules solaires à grande échelle sans trop d’efforts.

Plusieurs étapes du processus ont été nécessaires pour produire les couches de la cellule solaire TPC. Sur une fine couche de dioxyde de silicium, les chercheurs ont déposé une double couche de minuscules nanocristaux de carbure de silicium en forme de pyramide – appliquée à deux températures différentes. Enfin, une couche transparente d’oxyde d’indium et d’étain a suivi. Ding et ses collègues ont utilisé des procédés chimiques humides, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et un procédé de pulvérisation.

Pour réussir, les chercheurs de l’IEK 5 et du centre de microscopie électronique Jülich Ernst Ruska ont travaillé en étroite collaboration avec plusieurs instituts aux Pays-Bas, en Chine, en Russie et en Équateur. Parmi les partenaires figurent des chercheurs de l’université RWTH d’Aix-la-Chapelle, de l’université de Duisburg-Essen, des universités techniques de Delft et d’Eindhoven, de l’université San Francisco de Quito, de l’université et de l’institut de thermophysique Kutateladze de Novosibirsk et de l’université Sun Yat-Sen de Guangzhou. Dans les étapes suivantes, le groupe de recherche de Kaining Ding prévoit d’optimiser davantage le rendement énergétique de ses cellules solaires TPC.

« Nous nous attendons à ce que les fabricants de cellules solaires manifestent un grand intérêt pour notre technologie« , déclare M. Ding.

Légende image : Prototype de cellules solaires au format laboratoire (TPC – Transparent Passivating Contact). On peut voir quatre cellules solaires, mesurant chacune quatre centimètres carrés, sur la tranche de silicium, chacune d’entre elles étant contactée et encadrée par des contacts en argent sérigraphiés. CREDIT Forschungszentrum Jülich