Les kësterites pour révolutionner le secteur des cellules solaires à faible coût
Actuellement, les cellules solaires en couche mince utilisent des chalcogénures comme le cuivre-indium-gallium-sélénium (CIGS) et le tellurure de cadmium (CdTe). Elles ont donc l'inconvénient d'utiliser de l'indium et du tellure, deux éléments rares et coûteux. Par ailleurs, le cadmium est très toxique, et représente donc un risque majeur pour l'environnement. Les chercheurs du projet PVICOKEST (International cooperative programme for photovoltaic kesterite based technologies) ont étudié un autre matériau absorbant à destination des cellules photovoltaïques en couche mince. Le CIGS a quasiment la même structure que les kësterites, un minéral cristallin qui peut contenir du cuivre, du zinc, de l'étain, du sélénium et du soufre, mais pas d'indium. Les cellules solaires à base de kësterite ont un rendement plutôt médiocre (9,6 %) par rapport aux cellules au CIGS ou au CdTe, mais elles sont faites de matériaux plus économiques, abondants et plus respectueux de l'environnement. L'équipe de PVICOKEST a obtenu des couches et des cristaux de kësterites ternaires, quaternaires et pseudo-quaternaires, et les a intégrées dans des prototypes de cellules solaires. L'idée était d'étudier l'impact de leurs propriétés physico-chimiques et de leur structure sur les performances des cellules solaires. Les chercheurs ont utilisé diverses techniques de microscopie et de spectroscopie, générant davantage de connaissances sur la structure et les propriétés électroniques des kësterites. En règle générale, le diagramme des phases des kësterites présente des problèmes, ainsi que les modifications des cristaux. Les chercheurs ont déterminé les principaux modes de vibration des kësterites, pour divers cristaux et couches, et les ont mis en relation avec la présence de phases ordonnées ou non. Ils ont aussi mis au point une méthode pour évaluer la taille des cristaux de sulfure de zinc, à l'interface entre la kësterite absorbante et la couche arrière de contact. Les chercheurs ont dégagé des informations de valeur sur la structure des bandes électroniques de kësterites contenant de l'étain et du germanium. Citons notamment la possibilité de définir la bande interdite dans une kësterite en remplaçant l'étain (un métal) par du germanium (un semi-conducteur). C'est un avantage particulièrement important pour fabriquer des cellules solaires en tandem. Les cellules photovoltaïques à base de kësterites peuvent satisfaire aux critères de coût, de rendement et de durabilité requis pour une production en masse. Les travaux de PVICOKEST ont contribué à mettre l'Europe en bonne voie d'être un leader de l'électricité solaire.
Mots‑clés
Kësterites, cellules solaires, matériaux absorbants, indium, photovoltaïque
