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Une découverte lumineuse pour des cellules solaires plus fines et plus efficaces

Les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments représentent un moyen efficace de répondre à la demande croissante de bâtiments à énergie zéro et à émissions nulles. Un consortium composé de 13 personnes, pionnier dans la technologie et la production de cellules solaires, entend apporter sa pierre à l’édifice en axant ses travaux sur la réduction des coûts et l’amélioration du rendement.

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Les cellules solaires en couches minces constituées d’une couche absorbante de Cu(In,Ga)Se2, autrement appelées «CIGS», présentent les caractéristiques suivantes: faible poids, efficacité dans des conditions de faible luminosité, flexibilité, coûts de production compétitifs et, surtout, qualité esthétique. Le projet ARCIGS-M, financé par l’UE, entend tirer parti de ce potentiel en développant des architectures de cellules solaires avancées. L’objectif final est de réduire encore davantage les coûts de production des modules solaires CIGS. Production en une seule étape et pile d'argent «Le projet ARCIGS-M s’intéresse tout particulièrement aux cellules solaires en couches minces à faible coût et à très haut rendement, qui peuvent être intégrées dans les bâtiments», résume la professeure Marika Edoff, coordinatrice du projet. «Nous utilisons deux types de substrats, soit du verre sodo-calcique ordinaire, soit des substrats en acier peu onéreux.» Les substrats en acier sont revêtus d’une couche d’isolation électrique, ce qui permet la production de modules de cellules solaires en une seule étape sans qu’il soit nécessaire de souder chacune des cellules. Toutes les cellules solaires en couches minces incluent deux contacts: une couche absorbante, qui absorbe la lumière du soleil, et un contact frontal transparent. La couche absorbante des cellules solaires ARCIGS-M est composée de CIGS, un matériau semi-conducteur à bande interdite directe. La bande interdite est une propriété matérielle qui correspond à l’énergie minimale d’un photon (de la lumière du soleil) nécessaire pour exciter un électron. Cependant, la probabilité d’absorption dans les matériaux à bande interdite directe est très élevée, ce qui permet le recours à des couches très fines d’à peine quelques micromètres. ARCIGS-M vise une épaisseur de seulement 0,5 µm. La professeure fait remarquer à ce propos que: «Cela n’est pas suffisant pour une absorption complète. Nous avons donc modifié notre contact arrière et sommes passés d’une couche de molybdène à un empilement multicouche à base d’argent, ce qui assure une réflectivité très élevée, proche de 90 %.» Réalisations en cours L’une des plus importantes réalisations du projet est la couche rétro-réfléchissante «dont nous avons prouvé la compatibilité avec les couches CIGS», précise la professeure Edoff. En outre, l’ajout d’une couche d’un matériau de passivation constitué d’oxyde d’aluminium perforé d’ouvertures nanométriques permet d’éviter la perte d’électrons par le contact arrière. «La structuration de la couche de passivation du contact arrière se fait à l’échelle nanométrique par lithographie par nano-impression, une méthode dont nous démontrons, pour la première fois, le caractère évolutif pour ce type d’appareil», indique la coordinatrice. L’équipe a également mis au point un modèle opto-électrique qui permet de fournir un retour. Au-delà de l’évolution technologique Le projet fait également bouger les lignes en dehors du laboratoire. «Nous nous sommes efforcés d’atteindre un bon équilibre entre les sexes dans un domaine traditionnellement à forte dominance masculine», déclare la professeure Edoff. Deux femmes occupent les postes de coordinatrice et de co-coordinatrice du projet, «et la présence féminine aux réunions s'est établie autour 40 % en moyenne pour l’ensemble du projet.» «Nous espérons que notre projet contribuera à créer de nouvelles opportunités commerciales pour nos partenaires, issus de différents domaines complémentaires», commente encore la professeure. Parmi ces derniers on peut noter la présence d'une entreprise de services publics, d’un fabricant d’acier et de plusieurs fabricants d’équipement. Une citation tirée d’un entretien datant de 2018 résume la vision de la professeure: «Le photovoltaïque, c’est le présent et l’avenir! C’est la façon la plus démocratique de produire de l’électricité.»

Mots‑clés

ARCIGS-M, cellule solaire, bâtiment, CIGS, cellule solaire en couches minces, argent, couche absorbante, photovoltaïque, substrat en acier, lumière du soleil

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