Un successeur au silicium pour des cellules solaires de haut rendement
Les cellules photovoltaïques multi-jonctions – aussi appelées cellules tandem – constituent la voie de recherche la plus explorée pour obtenir des cellules solaires à haut rendement. Initialement développées pour l'espace, les cellules multi-jonctions III-V utilisent trois types de matériaux différents dans une seule cellule solaire, récupérant ainsi beaucoup plus d'énergie lumineuse que leurs homologues à jonction simple en silicium. Elles sont par conséquent susceptibles d'obtenir des rendements très importants. La technologie multi-jonction métamorphique inversée constitue une nouvelle percée au niveau de la performance et de la réduction des coûts de ces cellules. Dans le projet SOLAR FUEL BY III-VS (Direct photoelectrochemical generation of solar fuels using dilute nitride III-V compound semiconductor heterostructures on silicon: epitaxy, electrochemistry, and interface characterization), les chercheurs ont adopté une stratégie totalement nouvelle qui pourrait déboucher sur de grandes avancées dans le domaine de l'efficacité de conversion de l'énergie solaire en hydrogène. Pour accroître l'efficacité de séparation des molécules d'eau, les membres de l'équipe ont exploré l'ajout d'une nouvelle classe d'alliages semi-conducteurs – le nitrure III-V dilué - sur le silicium. Ils ont ensuite réussi à démontrer que les ions d'azote et un catalyseur métallique comme GaInP pouvait prolonger la durée de vie des cellules solaires. Leurs travaux de modélisation ont dévoilé le rôle que pouvait jouer l'absorption parasite dans la limitation du rendement de conversion et dans la détermination de l'écart optimal d'énergie. Les chercheurs ont par ailleurs démontré la relation entre l'épaisseur du film électrolyte et les pertes de voltage limitant l'efficacité de la conversion en hydrogène. Un travail d'analyse a également permis de découvrir un décalage spectral entre les sources lumineuses standard de laboratoire et l'irradiance solaire, ce qui entraîne de fait une estimation inexacte des taux de conversion. Après ce travail théorique, les partenaires du projet ont montré que les cellules tandems GaInP/ GaAs pouvaient obtenir un taux de conversion de l'ordre de 10 %, chiffre très proche des records mondiaux. La conception inversée avec une couche réflective arrière en or améliore la performance de la cellule inférieure d'environ 2 % supplémentaire. L'amincissement de la cellule supérieure, afin d'améliorer la répartition de l'énergie lumineuse, pouvait elle aussi conduire à un gain de 2 % du taux de conversion. Toutefois, l'équipe de recherche estime qu'une légère diminution de l'intervalle de bande entre la cellule supérieure et la cellule inférieure pouvait déboucher sur des gains d'efficacité encore plus élevés. Le projet SOLAR FUEL BY III-VS a abordé des questions essentielles dans le domaine de l'énergie solaire. Il permet de jeter les bases d'une accélération du développement de ce combustible solaire et innove ainsi dans le domaine de la transition énergétique. Ces travaux ont été diffusés via de nombreuses publications.
