La pile solaire tandem est simplement meilleure

Des chercheurs de l’Empa ont maintenant développé de telles cellules photovoltaïques tandems qui peuvent être produites par un procédé continu «rouleau à rouleau» à une température «douce» qui n’atteint que 50 degrés.

La pile solaire pérovskite semi-transparente absorbe les rayons ultraviolets et la partie bleue de la lumière visible mais laisse par contre passer la lumière rouge et le rayonnement infrarouge. Elle permet de réaliser une «cellule solaire tandem» à deux étage dont le rendement est bien plus élevé que celui des cellules solaires «mono-étage». (Photo: Empa)

Ce qui est bon pour les lames de rasoir est aussi valable pour les cellules solaires : deux étapes simultanées donnent un meilleur résultat. Si l’on superpose deux cellules solaires dont l’une est semi-transparente, on peut alors transformer une plus grande part de l’énergie du soleil en électricité. Jusqu’ici, cette technique compliquée était utilisée principalement dans le domaine spatial. Ces cellules solaires, appelées cellules tandem, étaient jusqu’ici trop chères pour une production de masse.

Une équipe de l’Empa, réunie autour de Stephan Bücheler et Ayodhya N. Tiwari du laboratoire Couches minces et photovoltaïque est maintenant parvenue à développer une pile solaire tandem bon marché qui peut être appliquée sur des feuilles flexibles de matière plastique. Une étape importante vers la production de masse de cellules solaires hautement efficaces est ainsi franchie.

L’application de la deuxième couche de cellule photovoltaïque s’effectue à une température de 50 degrés seulement. Ce qui, pour les processus de fabrication industriels futurs, promet une étape de production peu coûteuse et économe en énergie. D’emblée, cette cellule solaire tandem a atteint un taux de conversion de l’énergie solaire en électricité de 20,5%. Elle fait ainsi jeu égal avec les meilleures cellules solaires produites jusqu’ici dans le monde. Et son potentiel n’est encore de loin pas épuisé, ainsi que le soulignent les chercheurs de l’Empa.

Des ballons de football moléculaires comme support du cristal magique

La clé de ce double succès est le développement d’une cellule solaire en iodure de plomb méthylammonium qui se dépose sous forme de minuscules cristaux de pérovskite. Le support utilisé est une substance dénommée en abrégé PCBM (Phenyl-C61-Buttersäure-Methylester). Chaque molécule de PCBM comporte 61 atomes de carbone qui sont liés entre eux de manière à conférer à la molécule la forme d’un ballon de football. La pérovskite est déposée «tiède» sur cette couche de ballons de football. Ce cristal magique absorbe les rayons ultraviolets et la partie bleue de la lumière visible pour les transformer en électricité mais laisse par contre passer la lumière rouge et le rayonnement infrarouge. Les chercheurs ont ainsi pu placer sous cette cellule solaire pérovskite une autre cellule qui transforme le rayonnement restant en électricité.

L’avantage de la cellule solaire tandem : une meilleure utilisation du spectre du rayonnement solaire

Pour la couche inférieure de cette cellule tandem, les chercheurs de l’Empa ont utilisé une cellule CIGS (diséléniure de cuivre indium gallium) – un type de cellule sur lequel ils effectuent des travaux de recherche depuis des années déjà et une production à petite échelle de modules solaires flexibles à base de cellules CIGS a déjà débuté.

L’avantage des cellules solaires tandems réside dans leur meilleure utilisation du rayonnement solaire. Une pile solaire ne peut transformer que le rayonnement dont l’énergie est supérieure à celle de la bande interdite du semi-conducteur utilisé. Si l’énergie du rayonnement est plus faible que celle de la bande interdite, il ne se forme pas d’électricité. Si son énergie est trop élevée, l’énergie excédentaire se transforme en chaleur et se perd. Une cellule solaire à deux étages telle que la cellule pérovskite-CIGS de l’Empa associe des substances qui possèdent des bandes interdites différentes et qui peuvent ainsi transformer une plus grande partie du rayonnement solaire en électricité.

Des rendements supérieurs à 30%  sont possibles

Alors que les très bonnes cellules solaires «mono-étage» transforment au maximum 25 pour-cent de l’énergie solaire en électricité, les cellules solaires tandems pourraient bien dépasser la barre des 30 pour cent, comme le déclare Ayodhya Tiwari qui dirige le laboratoire Couches minces et photovoltaïque. Mais d’ici là beaucoup de travail reste encore à faire en recherche. «Ce que nous avons atteint n’est que le début, de nombreux obstacles restent encore à franchir. Il nous faut avoir recours à un très large savoir interdisciplinaire et réaliser encore un grand nombre d’expériences pour trouver la meilleure combinaison d’une cellule solaire semi-transparente haute performance avec la cellule de base adéquate.»

Stephan Bücheler, qui coordonne les travaux de recherche au sein de l’équipe de Tiwari, relève que la course à l’efficacité dans la recherche sur les cellules solaires n’est pas qu’une affaire de prestige entre instituts de recherche. «Dans la production d’électricité solaire, seule la moitié des coûts est occasionnée par les modules solaires. L’autre moitié provient de l’infrastructure: onduleur, câblage, constructions porteuses pour les modules, frais d’ingénieur et d’installation. Tous ces coûts accessoires vont diminuer si les cellules solaires deviennent plus efficaces avec des installations de plus petite taille. Les cellules solaires efficaces sont ainsi la clé de l’éco-électricité bon marché.»