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Une approche innovante de la structure des cellules solaires permet de battre des records d’efficacité

Les percées réalisées en 2012 ont attiré l’attention de la communauté scientifique sur les cellules solaires pérovskites et de nombreuses recherches ont été menées depuis sur la manière d’augmenter la taille des modules tout en conservant l’efficacité de la conversion énergétique. Un chercheur financé par l’UE est en train d’établir de nouveaux records.

Énergie

Le rendement lumière du soleil/électricité est passé de 3,8 % à 25 % pour les dispositifs pérovskites de petite surface (moins de 1 cm2), ce qui est utile pour valider le concept mais pas pour alimenter quoi que ce soit. L’efficacité obtenue pour des dispositifs utiles de la taille de modules reste à la traîne, atteignant un rendement de seulement 16,1 %. Les panneaux de silicium disponibles dans le commerce offrent un rendement d’environ 20 %, sachant que celui des meilleurs appareils de petite surface atteint 26 %.

En quête de rendement

«Les pérovskites ont la capacité d’être beaucoup moins chers et aussi d’ouvrir de nouveaux marchés pour l’énergie solaire légère et flexible», déclare Giles Eperon, chercheur en chef du projet Crystal Tandem Solar, financé par l’UE, et co-fondateur et directeur scientifique de l’institution accueillant le projet, Swift Solar. Mais, comme il l’explique ensuite, pour concurrencer le silicium, le rendement du module doit être similaire ou supérieur à ces 20 %. Il existe une limite au rendement qui peut être pratiquement atteinte en utilisant des cellules solaires à pérovskite à jonction unique, qui consistent en une seule couche de semi-conducteur absorbant la lumière. Dans la pratique, ce rendement est d’environ 27 %. «Les travaux actuels s’en rapprochent, atteignant environ les 25 %, et les progrès deviennent plus laborieux à mesure que nous approchons de la limite, de sorte que le rythme des avancées en matière de recherche ralentit. Le tableau d’efficacité du Laboratoire national sur les énergies renouvelables le montre clairement», explique Giles Eperon. Le projet Crystal Tandem Solar a tenté de dépasser la limite établie en utilisant deux couches de semi-conducteurs absorbant la lumière dans une structure «en tandem». Comme l’explique Giles Eperon: «Cela fait grimper la limite d’efficacité pratique beaucoup plus haut et devrait permettre d’atteindre des rendements susceptibles de concurrencer ceux des panneaux en silicium.» Le plan initial était d’utiliser des tandems silicium-pérovskite dans le cadre du projet. Cependant, une percée a été réalisée juste avant le début du projet, où il a été démontré que les tandems fabriqués avec deux couches de pérovskite pouvaient être très performants. «Nous avons alors commencé à travailler sur cette technologie passionnante car elle offrait le potentiel d’une cellule solaire encore moins chère qui conserverait également les avantages des pérovskites – principalement leur flexibilité et leur légèreté», explique Giles Eperon. Cela impliquait de relever de nouveaux défis. «Avec le silicium, nous pouvions simplement immerger la plaquette dans la solution utilisée pour la culture de la pérovskite. Mais, faire la même chose avec deux pérovskites aurait eu pour conséquence la dissolution de la première pérovskite lors de son contact avec la solution.» Pour contourner ce problème, Giles Eperon, qui a mené ses recherches avec le soutien du programme européen Actions Marie Skłodowska-Curie, s’est principalement concentré sur la mise au point d’une couche intermédiaire robuste et protectrice. «Y parvenir nous a permis de traiter une pérovskite par-dessus l’autre sans dommage. Elle était composée de différentes couches d’oxydes produites en utilisant les techniques de dépôt de couche atomique et de revêtement par pulvérisation», explique Giles Eperon. En rendant la couche de pérovskite monocristalline, le projet visait à éliminer totalement les pertes d’énergie à la limite du grain pour augmenter le rendement. Il n’y est pas tout à fait parvenu, mais Giles Eperon a pu produire de grands cristaux minces de type plaque, de forme contrôlée, en utilisant des variations de la synthèse des nanocristaux. Il a ainsi mis au point la couche intermédiaire pour permettre une croissance sur le premier substrat. Ces travaux ont directement conduit à de nouveaux records mondiaux pour les dispositifs à tandem pérovskite-pérovskite. «Sur la base de ces travaux, après l’achèvement du projet, le National Renewable Energy Lab basé dans le Colorado, aux États-Unis, m’a proposé un emploi pour poursuivre cette ligne de recherche.» Cela a débouché sur d’autres percées et sur un autre record d’efficacité des tandems pérovskite-pérovskite. «Au cours du projet, j’ai cofondé avec des collaborateurs une start-up, Swift Solar, qui a pour objectif de commercialiser la technologie des tandems pérovskite-pérovskite sur laquelle j’ai travaillé dans le cadre de ce projet. La nécessité de trouver une énergie propre se faisant de plus en plus pressante, cette technologie est promise à un bel avenir.»

Mots‑clés

Crystal Tandem Solar, cellules solaires pérovskites, Swift Solar, dispositifs tandems pérovskite-pérovskite

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