La cellule solaire tandem promet une efficacité énergétique record

Une équipe de recherche de HZB (Centre Helmholtz de Berlin pour les matériaux et l’énergie) s’est illustrée par la conception d’une cellule solaire tandem qui pourrait marquer une étape décisive dans le domaine de l’énergie renouvelable.

Cette réalisation remarquable est le fruit d’une collaboration entre les experts en perovskite du laboratoire d’innovation HySPRINT et les spécialistes du silicium du centre de compétence en photovoltaïque (PVcomB).

L’essor des cellules solaires tandem

En décembre 2022, la cellule solaire tandem de HZB a capté l’attention en établissant un nouveau record mondial d’efficacité, convertissant 32,5 % de la lumière solaire incidente en énergie électrique. Ce record a été tenu jusqu’en avril 2023, date à laquelle il a été battu par un groupe du laboratoire de photovoltaïque de KAUST en Arabie Saoudite.

Aujourd’hui, le domaine de la recherche en cellules solaires est très compétitif avec de nombreux groupes à travers le monde qui travaillent dans ce domaine. L’équipe du HZB est la première à présenter une publication technique solidement validée par les pairs, dotée de données précises issues de mesures rigoureuses et d’informations détaillées sur la structure de la cellule tandem.

Un saut qualitatif dans la conception des cellules solaires

Le Professeur Albrecht et son équipe ont principalement misé sur une amélioration significative du composé de perovskite et une modification de surface sophistiquée à l’aide d’une nouvelle molécule de piperazinium iodide. Cette innovation a permis de supprimer en grande partie la recombinaison de charge et de réduire considérablement les pertes associées.

Grâce à des techniques de mesure spéciales, les chercheurs ont pu analyser en détail les processus fondamentaux aux interfaces et dans les différentes couches de la cellule tandem, puis les optimiser sur la base d’une compréhension plus approfondie.

Plusieurs experts de différents instituts ont contribué à la production et au développement des cellules tandem. Ainsi, des groupes de l’Université de Potsdam, du centre Joxe Mari Korta à San Sebastian en Espagne et de l’Université Technique de Kaunas en Lituanie ont joué des rôles clés dans ce succès.

Une émulation mondiale

Ces dernières années, divers instituts de recherche et entreprises photovoltaïques du monde entier n’ont cessé d’améliorer l’efficacité des cellules solaires. Les deux dernières années ont été particulièrement riches : des équipes du HZB ont atteint une valeur record de près de 30 % (29,8 %) pour des cellules solaires tandem composées de silicium et de pérovskite à la fin de l’année 2021. Ce résultat a été obtenu en introduisant des nanostructures périodiques spéciales dans les cellules solaires.

Au cours de l’été 2022, l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, a présenté une cellule tandem certifiée avec un rendement de 31,3 %.

De décembre 2022 à la mi-avril 2023, le record du monde est revenu à HZB avec 32,5 %, jusqu’à ce que le KAUST Photovoltaics Laboratory, en Arabie saoudite, démontre en laboratoire une cellule tandem en silicium pérovskite avec 33,2 %. Le KAUST a même réussi à augmenter ce chiffre à 33,7 % en mai 2023.

« Nous sommes très enthousiastes face à ces avancées considérables dans notre discipline scientifique« , déclare M. Albrecht. « Elles nous donnent l’espoir que cette technologie puisse contribuer de manière importante à un approvisionnement énergétique durable dans le cadre de la lutte contre le changement climatique dans les années à venir, car la mise à l’échelle et la production industrielle de cellules solaires tandem pérovskite/silicium sont également réalisables« .

En synthèse

Les cellules solaires tandem perovskite/silicium offrent une perspective enthousiasmante pour l’avenir de l’énergie renouvelable. Les progrès significatifs réalisés par l’équipe du HZB et d’autres groupes de recherche à travers le monde montrent que ces cellules peuvent atteindre des niveaux d’efficacité énergétique autrefois réservés aux semi-conducteurs de type III/V, souvent onéreux.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’une cellule solaire tandem ?

Une cellule solaire tandem est une technologie photovoltaïque qui empile deux cellules solaires ou plus de matériaux différents afin d’absorber un spectre plus large de la lumière solaire. En combinant des cellules solaires de différentes bandes d’énergie, la cellule tandem est capable de convertir l’énergie solaire en électricité plus efficacement que les cellules solaires traditionnelles à simple jonction.

2. Comment fonctionne la technologie de la cellule solaire tandem ?

La technologie des cellules solaires tandem exploite le fait que différents matériaux absorbent différentes longueurs d’onde de la lumière solaire. En superposant deux matériaux aux propriétés d’absorption complémentaires, une plus grande partie du spectre solaire peut être convertie en électricité. Par exemple, une cellule solaire tandem typique pourrait avoir une cellule supérieure en pérovskite (qui absorbe les longueurs d’onde plus courtes de la lumière) et une cellule inférieure en silicium (qui absorbe les longueurs d’onde plus longues).

3. Quels sont les avantages des cellules solaires tandem par rapport aux autres types ?

Les cellules solaires tandem ont un avantage majeur en termes d’efficacité. Grâce à leur capacité à absorber une plus grande partie du spectre solaire, elles sont capables de convertir plus de lumière solaire en électricité que les cellules solaires à simple jonction. De plus, comme elles utilisent des matériaux déjà largement disponibles et bien compris comme le silicium, elles ont le potentiel d’être fabriquées à un coût compétitif tout en offrant une efficacité supérieure.

4. Comment la cellule solaire tandem a-t-elle évolué au fil du temps ?

La recherche sur les cellules solaires tandem a connu une croissance significative au cours de la dernière décennie. De nombreuses équipes de recherche, dont celle du HZB, ont réalisé des progrès remarquables dans l’amélioration de l’efficacité de ces cellules. Par exemple, la cellule solaire tandem de HZB a atteint une efficacité record de 32,5% en décembre 2022, avant d’être surpassée par une équipe du laboratoire de photovoltaïque de KAUST en Arabie Saoudite en avril 2023.

5. Quels sont les défis à relever pour leur commercialisation ?

Malgré leurs avantages, les cellules solaires tandem doivent encore surmonter certains obstacles avant d’être largement adoptées. Un défi majeur est d’améliorer leur stabilité dans des conditions d’utilisation extérieure. De plus, la complexité de la fabrication de ces cellules, qui implique l’empilement de plusieurs couches de matériaux différents, pourrait également être un obstacle à leur déploiement à grande échelle.

Légende illustration principale : Photo de la cellule solaire tandem pérovskite/silicium. La zone active au milieu de la plaquette est entourée par l’électrode d’argent. Crédit : Johannes Beckedahl/Lea Zimmerman/HZB.