L’ISE et l’AMOLF présentent une cellule solaire record à 36,1% d’efficacité 

Une équipe de chercheurs allemands et hollandais a mis au point une cellule solaire à multi-jonctions avec un rendement de 36,1%, le rendement le plus élevé jamais atteint pour une cellule solaire à base de silicium. Ce record a été présenté lors de la Conférence européenne sur l’énergie solaire photovoltaïque (PVSEC) à Lisbonne le 21 septembre 2023.

Les cellules solaires et les panneaux solaires à base de silicium sont déployés dans le monde entier à un rythme très élevé, mais leur efficacité de conversion de l’énergie photovoltaïque est fondamentalement limitée à 29%. Cette limitation peut être surmontée en recouvrant les cellules solaires de matériaux supplémentaires pour créer une cellule solaire à « multi-jonctions ».

Dans une telle géométrie, plusieurs couches d’absorption de la lumière sont empilées les unes sur les autres, de sorte que chaque couche absorbe efficacement une partie spécifique du spectre des couleurs de la lumière du soleil. Ce concept multicouche peut fortement améliorer l’efficacité de la cellule.

Nouveaux matériaux et conception de gestion de la lumière

Le nouveau record associe une cellule solaire « TopCon » en silicium de pointe, une nouvelle conception de cellule à haut rendement inventée au Fraunhofer ISE, à deux couches de semi-conducteurs composées de GaInP et GaInAsP également développées au Fraunhofer ISE.

L’empilement de couches est ensuite recouvert d’un nanorevêtement métal/polymère spécialement conçu à l’AMOLF et fabriqué conjointement à l’AMOLF et au Fraunhofer ISE. Le réflecteur arrière améliore le piégeage de la lumière à l’intérieur de la cellule solaire, permettant ainsi d’améliorer pour la première fois l’efficacité au-delà de 36%.

Collaboration unique entre Fraunhofer ISE et AMOLF

Albert Polman, qui a dirigé la partie AMOLF du projet, précise : « Ce nouveau record est le résultat d’une collaboration unique entre Fraunhofer ISE et AMOLF qui a débuté en 2020. L’équipe Fraunhofer est mondialement reconnue pour la fabrication de cellules solaires ultra-haute efficacité à base de Si et de semi-conducteurs III-V tels que GaInP ou GaAs. L’équipe AMOLF a accumulé de nombreuses années d’expérience dans l’optimisation de la gestion de la lumière dans les cellules solaires. Dans ce projet, nous avons réuni ces connaissances, avec ce résultat unique. Les cellules solaires ont voyagé entre Fribourg et Amsterdam pour les différentes étapes de traitement, permettant ainsi de construire la cellule solaire complète. »

Albert Polman, qui a dirigé la partie AMOLF du projet, indique : « Ce nouveau record est le résultat d’une collaboration unique entre Fraunhofer ISE et AMOLF qui a débuté en 2020. L’équipe Fraunhofer est mondialement reconnue pour la fabrication de cellules solaires ultra-haute efficacité à base de Si et de semi-conducteurs III-V tels que GaInP ou GaAs. L’équipe AMOLF a accumulé de nombreuses années d’expérience dans l’optimisation de la gestion de la lumière dans les cellules solaires. Dans ce projet, nous avons réuni ces connaissances, avec ce résultat unique. Les cellules solaires ont voyagé entre Fribourg et Amsterdam pour les différentes étapes de traitement, permettant ainsi de construire la cellule solaire complète. »

Frank Dimroth du Fraunhofer ISE ajoute : « C’est une grande réalisation des chercheurs des deux équipes de combiner les meilleurs processus disponibles pour réaliser conjointement un nouveau record pour l’efficacité des cellules solaires à multi-jonctions à base de Si. Le nouveau réflecteur arrière de l’AMOLF et la cellule intermédiaire GaInAsP améliorée du Fraunhofer ont contribué à ce résultat exceptionnel. »

Nouvelles applications

Les nouvelles cellules solaires à ultra-haute efficacité sont actuellement plus coûteuses à fabriquer que les cellules solaires au silicium conventionnelles, dont l’efficacité peut atteindre 27%.

La très haute efficacité est un grand avantage pour les applications où l’espace disponible est limité et où une grande quantité d’énergie solaire doit être générée dans une petite surface. Des applications sont envisagées dans les voitures électriques alimentées par l’énergie solaire, les produits de consommation et les drones, par exemple.

La nouvelle conception de gestion de la lumière est également applicable à d’autres types de cellules solaires, comme par exemple les cellules solaires à multi-jonctions silicium-pérovskite.

En synthèse

Le nouveau record d’efficacité des cellules solaires à multi-jonctions à base de silicium, atteint grâce à la collaboration entre l’Institut Fraunhofer et l’AMOLF, ouvre la voie à de nouvelles applications et à une amélioration significative de la production d’énergie solaire. Bien que ces cellules soient actuellement plus coûteuses à fabriquer, leur très haute efficacité les rend particulièrement intéressantes pour les applications où l’espace est limité.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une cellule solaire à multi-jonctions ?

Une cellule solaire à multi-jonctions est une cellule solaire composée de plusieurs couches d’absorption de la lumière empilées les unes sur les autres, permettant à chaque couche d’absorber efficacement une partie spécifique du spectre des couleurs de la lumière du soleil. Cette conception améliore l’efficacité de la cellule solaire.

Quel est le rendement de cette nouvelle cellule solaire ?

Le rendement de cette nouvelle cellule solaire à multi-jonctions est de 36,1%, ce qui est le rendement le plus élevé jamais atteint pour une cellule solaire à base de silicium.

Quelles sont les applications potentielles de ces cellules solaires ultra-haute efficacité ?

Les applications potentielles incluent les voitures électriques alimentées par l’énergie solaire, les produits de consommation, les drones et d’autres applications où l’espace est limité et où une grande quantité d’énergie solaire doit être générée dans une petite surface.

Quelle est la différence entre les cellules solaires conventionnelles et les cellules solaires à multi-jonctions ?

Les cellules solaires conventionnelles sont généralement à base de silicium et ont une efficacité de conversion de l’énergie photovoltaïque limitée à 29%. Les cellules solaires à multi-jonctions surmontent cette limitation en utilisant plusieurs couches d’absorption de la lumière et en améliorant la gestion de la lumière, ce qui permet d’atteindre des rendements beaucoup plus élevés.

La nouvelle conception de gestion de la lumière est-elle applicable à d’autres types de cellules solaires ?

Oui, la nouvelle conception de gestion de la lumière est également applicable à d’autres types de cellules solaires, comme par exemple les cellules solaires à multi-jonctions silicium-pérovskite.

Légende illustration principale : La cellule record combine une cellule solaire TOPCon au silicium de pointe avec deux couches semi-conductrices composées de GaInP et de GaInAsP et un nanocoating métal/polymère conçu à AMOLF. Crédit AMOLF

Publications : Conception de cellules solaires optiques – Réflecteur arrière à nanoparticules avec diffusion de la lumière en champ proche/champ lointain pour améliorer le piégeage de la lumière dans les cellules solaires à jonction multiple à base de silicium
A. Cordaro, R. Müller, S. Tabernig, N. Tucher, P. Schygulla, O. Höhn, B. Bläsi, et A. Polman, ArXiv2305.16462

Conception, fabrication et caractérisation des cellules – Cellule solaire à triple jonction III-V//Si à deux terminaux liée à une tranche de silicium avec un rendement de conversion de puissance de 36,1 % à AM1,5g
P. Schygulla, R. Müller, O. Höhn, M. Schachtner, D. Chojniak, A. Cordaro, S. Tabernig, B. Bläsi, A. Polman, G. Siefer, D. Lackner, et F. Dimroth, soumis à Proc. EUPVSEC Conference, Lisbonne, Progr. Photovolt. (2023)