Transition énergétique : les cellules solaires de nouvelle génération gagnent en efficacité

Une équipe de recherche a mis au point une cellule solaire tandem très efficace composée de pérovskite et d'absorbeurs organiques, qui peut être produite à un coût inférieur à celui des cellules solaires classiques en silicium. La poursuite du développement de cette technologie devrait rendre l'énergie solaire encore plus durable.

Une équipe de recherche allemande a mis au point une cellule solaire tandem qui atteint un rendement de 24 %, mesuré en fonction de la fraction de photons convertis en électricité (c'est-à-dire en électrons). Il s'agit du plus haut rendement atteint jusqu'à présent avec cette combinaison d'absorbeurs organiques et à base de pérovskite, ce qui constitue un nouveau record mondial. La cellule solaire a été mise au point par le groupe du professeur Thomas Riedl à l'université de Wuppertal, en collaboration avec des chercheurs de l'institut de chimie physique de l'université de Cologne et d'autres partenaires de projet des universités de Potsdam et de Tübingen, ainsi que du Helmholtz-Zentrum Berlin et du Max-Planck-Institut für Eisenforschng de Düsseldorf.

Les technologies conventionnelles de cellules solaires sont principalement basées sur le silicium semi-conducteur et sont aujourd'hui considérées comme étant "aussi bonnes que possible". On ne peut guère s'attendre à des améliorations significatives de leur efficacité, c'est-à-dire à une augmentation du nombre de watts de puissance électrique par watt de rayonnement solaire capté. Il est donc d'autant plus nécessaire de développer de nouvelles technologies solaires qui puissent contribuer de manière décisive à la transition énergétique. Deux matériaux absorbants alternatifs de ce type ont été combinés dans ce travail. Il s'agit de semi-conducteurs organiques, des composés à base de carbone qui peuvent conduire l'électricité dans certaines conditions. Ils ont été associés à une pérovskite, basée sur un composé plomb-halogène, qui présente d'excellentes propriétés semi-conductrices. Ces deux technologies nécessitent beaucoup moins de matériaux et d'énergie pour leur production par rapport aux cellules de silicium classiques, ce qui permet de rendre les cellules solaires encore plus durables.

La lumière du soleil étant composée de différentes composantes spectrales, c'est-à-dire de couleurs, les cellules solaires efficaces doivent convertir la plus grande partie possible de cette lumière en électricité. Cet objectif peut être atteint avec des cellules dites tandem, dans lesquelles différents matériaux semi-conducteurs sont combinés dans la cellule solaire, chacun d'entre eux absorbant différentes plages du spectre solaire. Dans l'étude actuelle, les semi-conducteurs organiques ont été utilisés pour les parties ultraviolettes et visibles de la lumière, tandis que la pérovskite peut absorber efficacement dans le proche infrarouge. Des combinaisons de matériaux similaires ont déjà été explorées dans le passé, mais l'équipe de recherche a réussi à augmenter considérablement leurs performances.

Au début du projet, les meilleures cellules tandem pérovskite/organique au monde avaient un rendement d'environ 20 %. Sous la direction de l'université de Wuppertal, les chercheurs de Cologne, en collaboration avec les autres partenaires du projet, ont réussi à porter cette valeur à un niveau sans précédent de 24 %. Pour atteindre un tel rendement, il fallait minimiser les pertes aux interfaces entre les matériaux des cellules solaires", a déclaré le Dr Selina Olthof de l'Institut de chimie physique de l'Université de Cologne. Pour résoudre ce problème, le groupe de Wuppertal a mis au point une interconnexion qui couple électroniquement et optiquement la sous-cellule organique et la sous-cellule en pérovskite.

En guise d'interconnexion, une fine couche d'oxyde d'indium a été intégrée dans la cellule solaire, d'une épaisseur de seulement 1,5 nanomètre, afin de limiter au maximum les pertes. Les chercheurs de Cologne ont joué un rôle clé dans l'évaluation des propriétés énergétiques et électriques des interfaces et de l'interconnexion afin d'identifier les processus de perte et d'optimiser davantage les composants. Les simulations effectuées par le groupe de Wuppertal ont montré que des cellules tandem d'un rendement supérieur à 30 % pourraient être réalisées à l'avenir grâce à cette approche.