La technologie des cellules solaires hybrides exploite à la fois la chaleur et la lumière du Soleil
Les matériaux absorbant la lumière sont les éléments essentiels de ces applications photovoltaïques. Des cellules solaires efficaces exigent que le spectre électromagnétique complet soit recueilli et converti en électricité. Il n'existe malheureusement aucun sensibilisateur actuel possédant cette capacité. Le projet GLOBASOL (Global solar spectrum harvesting through highly efficient photovoltaic and thermoelectric integrated cells), financé par l'UE, pourrait bien avoir trouvé un moyen de contourner ce problème en mettant en synergie certains concepts avancés de gestion de la lumière et des nouveaux matériaux optiquement actifs capables de récolter la quasi-totalité du spectre lumineux. Les chercheurs ont développé des cellules solaires mésoscopiques sensibilisées (SMSC, pour sensitised mesoscopic solar cells) utilisant des colorants panchromatiques organiques et organométalliques ainsi que des électrolytes quasi-solides susceptibles de recueillir le rayonnement lumineux jusqu'à des longueurs d'ondes proches de 750 nm. Les rayonnements émis dans la bande 750-1100 nm ont été récoltés par les cellules solaires SMSC à partir de dispositifs à points quantiques. Des structures révolutionnaires à saut quantique photonique amplifient quant à elles l'absorption des photons dans le rouge et le proche infra-rouge. Étant transparents aux photons de plus faible énergie, ces systèmes peuvent être utilisés comme cellules supérieures dans une configuration en tandem afin de capter la plus grande fraction possible de rayonnement solaire. Les rayonnements de plus grande longueur d'ondes (supérieures à 1 100 nm) sont exploités quant à eux par des dispositifs thermoélectriques. Les partenaires du projet ont développé des matériaux basés sur des puits quantiques, des nanofils ou des alliages de base avec des paramètres élevés dans la plage de température de 500 à 700 Kelvins. Les scientifiques ont utilisé des architectures de cellules en tandem ou certains dispositifs optiques adaptés - miroirs ou lentilles de concentration – afin d'obtenir une séparation efficace des longueurs d'onde et améliorer le rendement de ces dispositifs thermoélectriques. Le développement de cellules solaires hybrides semi-conductrices très efficaces, basées sur des absorbeurs organométalliques de pérovskite (CH3NH3PbI3) représente une réelle percée du projet. En combinant simplement les sels d'iodure de plomb et de méthyl ammonium en solution, le matériau forme naturellement des cristaux symétriques dont la structure permet le déplacement de charges électriques libres une fois excitées par la lumière du soleil. Ces cristaux appartiennent à la nouvelle génération de matériaux qui permettront d'accroître l'efficacité de la conversion énergétique lumineuse à des valeurs supérieures à 17 %. L'intégration des SMSC et des cellules thermoélectriques a été réalisée avec soin afin de maintenir les performances élevées obtenues sur les cellules séparées. L'efficacité globale de conversion du système dépasse 28 %, ce qui est bien au-delà des résultats obtenus actuellement.
Mots‑clés
Cellule photovoltaïque hybride, photovoltaïque, thermoélectricité, pérovskite, GLOBASOL, appareil thermoélectrique
