Et si on empilait des cellules solaires ?

Les chercheurs ont décrit leur nouvelle cellule solaire en silicium-perovskite dans la revue Energy & Environmental Sciences.

"Nous avons cherché plusieurs moyens de rendre les panneaux solaires plus efficaces à des coûts plus bas" a déclaré Michael McGehee, co-auteur, et professeur des sciences des matériaux et de l’ingénierie à Stanford. "En ce moment, les cellules solaires en silicium dominent le marché mondial, mais l’efficacité de conversion des panneaux solaires restent bloqués à 25% depuis 15 ans."

Une façon rentable d’améliorer l’efficacité est de construire un dispositif duo en silicium et un autre matériau photovoltaïque peu coûteux, a t-il précisé.

"Faire un tandem à faible coût reste très souhaitable", a déclaré McGehee. "Vous mettez simplement une cellule solaire l’une sur l’autre, et vous obtenez plus d’efficacité qu’elle ne pourrait le faire elle-même. D’un point de vue commercial, cela fait beaucoup sens d’utiliser le silicium comme cellule inférieure. Jusqu’à récemment, nous n’avions pas un bon matériau pour la cellule du haut, puis la pérovskite est arrivée".

Pérovskite est un matériau cristallin peu coûteux et facile à réaliser en laboratoire. En 2009, les scientifiques ont démontré que les pérovskites en plomb, iodure et méthylammonium pourraient convertir la lumière solaire en électricité avec un rendement de 3,8%. Depuis, les chercheurs ont réalisé de la perovskite au dessus des 20%, rivalisant avec les cellules solaires en silicium disponibles sur le marché, suscitant du coup un large intérêt parmi les fabricants de silicium.

"Notre objectif est de tirer parti des usines de silicium qui existent déjà dans le monde entier", a dit Colin Bailie, co-auteur principal de l’étude et étudiant diplômé de Stanford. "Avec les cellules solaires en tandem, vous n’avez pas besoin de dépenser en capital des milliards de dollars pour construire de nouvelles usines. Au lieu de cela, vous pouvez commencer avec un module en silicium et ajouter une couche de perovskite pour un coût relativement modique."

De la lumière du soleil à l’électricité

Les cellules solaires fonctionnent en convertissant les photons de la lumière solaire en un courant électrique qui se déplace entre deux électrodes. Les cellules solaires en silicium produisent de l’électricité en absorbant des photons de la lumière visible et de l’infrarouge, tandis que les cellules en perovskite récoltent uniquement la partie visible du spectre solaire où les photons possèdent le plus d’énergie.

"En absorbant la partie haute énergie du spectre, les cellules solaires de perovskite peuvent générer plus de puissance par photon de lumière visible que les cellules de silicium", a déclaré Colin Bailie.

Un obstacle clé pour construire un duo silicium-perovskite efficace a été le manque de transparence.

"Colin a dû comprendre comment mettre une électrode transparente sur le dessus de sorte que certains photons pouvaient pénétrer la couche de perovskite et être absorbés par le silicium du dessous", a ajouté McGehee. "Personne n’avait jamais conçu une cellule solaire en perovskite avec deux électrodes transparentes."

Les Pérovskites sont facilement dommageables par la chaleur et se dissolvent facilement dans l’eau. Cette instabilité inhérente exclue pratiquement toutes les techniques classiques pour l’application d’électrodes sur la cellule solaire en perovskite, aussi Colin l’a réalisé manuellement.

"Nous avons utilisé une feuille de plastique avec des nanofils d’argent" a t-il dit. "Puis nous avons construit un outil qui utilise la pression pour transférer les nanofils sur la cellule de perovskite, un peu comme un tatouage temporaire. Vous avez juste besoin de frotter pour transférer le film."

Une efficacité remarquable

Pour l’expérience, l’équipe de Stanford a empilé une pile solaire en perovskite avec un rendement de 12,7% au-dessus d’une cellule en silicium de faible qualité avec un rendement de 11,4% seulement. "En combinant les deux cellules qui ont approximativement la même efficacité, vous pouvez obtenir d’un coup une plus grande efficacité", a déclaré Bailie.

Les résultats ont été impressionnants.

"Nous avons amélioré la cellule en silicium de 11,4% à 17% en tandem, une augmentation de l’efficacité remarquable proche des 50%", a affirmé Michael McGehee. "Une telle amélioration de l’efficacité a le potentiel de redéfinir la viabilité commerciale du silicium à faible qualité."

Dans une autre expérience, l’équipe de recherche a remplacé la cellule solaire en silicium avec une cellule en cuivre indium gallium diséléniure (CIGS). Les chercheurs ont empilé une cellule en perovskite d’un rendement de 12,7% sur une cellule CIGS pourvue d’une efficacité de 17%. Le tandem a permis d’obtenir un rendement de conversion global de 18,6%."

"Comme la plupart, sinon la totalité des couches dans une cellule de perovskite peuvent être déposées par solution ; il serait possible de mettre à niveau des cellules solaires classiques en tandem plus performants avec une légère augmentation des coûts", ont affirmé les auteurs.

Toutefois, une question cruciale restée encore sans réponse concerne la stabilité à long terme des pérovskites.

"Le silicium est un roc" a conclu McGehee. "Vous pouvez le chauffer à environ 600 degrés Fahrenheit, faire briller la lumière sur lui pendant 25 ans et rien ne se passera. Mais si vous exposer la perovskite à de l’eau ou à la lumière, il sera dégradera probablement. Nous avons du chemin à faire pour montrer que les cellules solaires en pérovskite sont assez stables pour durer 25 ans. Ma vision est qu’un jour nous serons en mesure d’obtenir des tandems à faibles coûts avec 25% d’efficacité. Dans cinq à 10 ans, nous pourrions même atteindre 30% d’efficacité. "