La kësterite – un matériau de nouvelle génération pour les cellules solaires en tandem à rendement élevé
Les technologies de cellules solaires deviennent de moins en moins chères et de plus en plus efficaces en termes de conversion de la lumière solaire en électricité. Les progrès à venir reposent sur une amélioration des technologies actuelles par le biais de méthodes innovantes, tout en utilisant des matériaux stables et peu coûteux. «Une des façons d’obtenir de meilleures performances consiste à utiliser des cellules solaires en tandem, dans lesquelles deux cellules solaires sont superposées», explique le professeur Bart Vermang, qui a été responsable du projet SWInG, financé par l’UE. À la différence des technologies concurrentes, les chercheurs du projet ont travaillé au développement de cellules solaires à base de kësterite, qui emploient des éléments non toxiques abondants sur terre. Ces semi-conducteurs à composés quaternaires complexes sont jugés appropriés pour remplacer les couches absorbantes contenant de l’indium dans les cellules solaires à couches minces en tandem. De meilleures cellules solaires à kësterite avec du germanium Les kësterites sont des composés semi-conducteurs dont les éléments constituants sont le cuivre, l’étain, le zinc et le sélénium. Ces semi-conducteurs peuvent être utilisés comme matériau absorbant optique dans les cellules solaires en tandem, offrant un rendement maximal relativement élevé, de 12,6 %. Leur usage est très apprécié car ils sont constitués d’éléments communs, et non d’indium, évitant ainsi un risque potentiel de pénurie d’approvisionnement. Certains changements au niveau de la composition de semi-conducteurs de type kësterite ont permis d’améliorer leur adéquation en tant que couches absorbantes dans les cellules photovoltaïques. «Malgré le caractère remarquable de leurs propriétés principales, les kësterites ont une bande interdite inférieure à 1,5 eV, ce qui est faible. Le remplacement des atomes d’étain par du germanium peut augmenter la bande interdite optique s’il est combiné à une cellule à faible bande interdite dans une structure en tandem, permettant ainsi au matériau de convertir une plus grande proportion de lumière solaire en énergie électrique», note le professeur Vermang. L’équipe du projet a démontré que mettre du germanium à la place de l’étain dans la kësterite permettait d’obtenir des cellules solaires fonctionnelles dont le rendement de conversion énergétique pouvait atteindre une valeur de 8,4 %, ce qui constitue un record mondial pour ce matériau. Relever les défis actuels avec les cellules solaires à kësterite L’équipe du projet a mis l’accent sur le développement de processus visant à synthétiser des cellules solaires à kësterite à large bande interdite en utilisant le germanium, ainsi que sur la compréhension des propriétés physiques et électriques de la couche absorbante pour des rendements de conversion plus élevés. Parmi les principaux défis relevés en matière de recherche, citons le développement de processus évolutifs et de spécifications pour la synthèse de couches absorbantes avec une bande interdite de haute qualité ainsi que pour des couches arrière de contact et tampon adaptées. Les chercheurs ont utilisé des méthodes de spectroscopie des rayons X durs et mous pour l’analyse de la structure chimique et électronique des couches absorbantes récemment développées et de leurs interfaces. Leurs travaux ont été complétés grâce à des méthodes avancées de caractérisation électrique et des matériaux permettant d’examiner les propriétés de la kësterite à l’échelle atomique. Toutes ces données ont conduit à la conception d’un modèle de cellule solaire d’après la structure de cellule solaire développée dans le cadre du projet SWInG. SWInG a permis de mieux comprendre les problèmes fondamentaux affectant le rendement de conversion énergétique des cellules solaires à kësterite à large bande interdite. «SWInG a développé des idées innovantes et originales qui ouvrent de nouvelles voies technologiques pour relever le défi énergétique en Europe et dans le monde. Ce projet constitue une première étape décisive pour améliorer de manière significative les performances des technologies photovoltaïques actuelles, n’impliquant qu’une augmentation raisonnable des coûts de fabrication, et pour soutenir le développement du marché des systèmes photovoltaïques à couches minces en Europe», note le professeur Vermang.
Mots‑clés
SWInG, germanium, cellule solaire en kësterite, couche absorbante, rendement de conversion énergétique, large bande interdite, étain
