Une cellule solaire en tandem record désormais expliquée avec précision par les scientifiques

Un développement impressionnant ces dernières années

12.07.2023 - Allemagne

Photo de la cellule solaire tandem pérovskite/silicium. La zone active au milieu de la plaquette est entourée par l'électrode d'argent.

Johannes Beckedahl/Lea Zimmerman/HZB

"Cette réussite a été rendue possible par le fait qu'à HZB, nous avons acquis une expertise à la fois dans la technologie de l'hétérojonction au silicium et dans les cellules solaires à pérovskite, et que nous travaillons en étroite collaboration", explique le professeur Steve Albrecht, qui dirige un groupe de recherche sur les cellules solaires tandem à pérovskite à HZB. Par exemple, les experts en pérovskite du laboratoire d'innovation HySPRINT et les experts en silicium du centre de compétence PV (PVcomB) ont déjà établi plusieurs records mondiaux d'efficacité pour les cellules solaires tandem.

La cellule solaire tandem, décrite en détail pour la première fois dans la revue Science, a également fait les gros titres en décembre 2022 lorsqu'elle a établi un nouveau record mondial d'efficacité en convertissant 32,5 % de la lumière solaire incidente en énergie électrique. Ce record a été maintenu jusqu'à la mi-avril 2023, date à laquelle il a été battu par un groupe du PV Lab du centre de recherche KAUST en Arabie saoudite. Le domaine de la recherche est extrêmement compétitif, de nombreux groupes travaillant dans ce domaine dans le monde entier. Aujourd'hui, l'équipe du HZB a de nouveau été la première à présenter une publication technique solide et scientifiquement rigoureuse, évaluée par des pairs, contenant des ensembles de données précises issues des mesures ainsi que des informations détaillées sur la structure de la cellule tandem.

M. Albrecht et son équipe se sont principalement appuyés sur un composé pérovskite nettement amélioré et sur une modification sophistiquée de la surface à l'aide d'une nouvelle molécule d'iodure de pipérazinium mise au point par les chercheurs postdoctoraux Silvia Mariotti et Eike Köhnen. Cette modification a permis de supprimer en grande partie la recombinaison des charges et de réduire de manière significative les pertes associées. Grâce à des techniques de mesure spéciales, les chercheurs ont pu analyser en détail les processus fondamentaux aux interfaces et dans les différentes couches de la cellule tandem, puis les optimiser sur la base d'une compréhension plus approfondie. Les développements ont ensuite été combinés et transférés aux cellules solaires en tandem, avec des ajustements supplémentaires à l'électrode supérieure pour améliorer l'optique.

De nombreux experts de différents instituts ont participé à la production et au développement des cellules tandem : Par exemple, un groupe de l'université de Potsdam a effectué des mesures optoélectroniques avancées des cellules simples et tandem ; les nouvelles molécules utilisées pour modifier la surface ont été synthétisées au centre Joxe Mari Korta de San Sebastian, en Espagne ; et une équipe de l'université technique de Kaunas, en Lituanie, a contribué au traitement des nouveaux composés de pérovskite avec une qualité de film très élevée. Ce n'est qu'en combinant toutes les modifications qu'il a été possible d'atteindre des valeurs maximales de photovoltage (tension en circuit ouvert) et de photocourant, et donc d'efficacité.

Un développement impressionnant au cours des dernières années

Au cours des dernières années, divers instituts de recherche et entreprises photovoltaïques du monde entier ont constamment amélioré l'efficacité des cellules solaires. Les deux dernières années ont été particulièrement passionnantes : des équipes du HZB ont atteint une valeur record de près de 30 % (29,8 %) pour des cellules solaires tandem composées de silicium et de pérovskite à la fin de l'année 2021. Ce résultat a été obtenu en introduisant des nanostructures périodiques spéciales dans les cellules solaires. Au cours de l'été 2022, l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, a présenté une cellule tandem certifiée avec un rendement de 31,3 %. De décembre 2022 à la mi-avril 2023, le record du monde est revenu à HZB avec 32,5 %, jusqu'à ce que le KAUST Photovoltaics Laboratory en Arabie saoudite démontre en laboratoire une cellule tandem en silicium pérovskite avec 33,2 %. Le KAUST a même réussi à augmenter ce chiffre à 33,7 % en mai 2023. "Nous sommes très enthousiastes face à ces avancées considérables dans notre discipline scientifique", déclare M. Albrecht. "Elles nous donnent l'espoir que cette technologie puisse contribuer de manière importante à un approvisionnement énergétique durable dans la lutte contre le changement climatique dans les années à venir, car la mise à l'échelle et la production industrielle de cellules solaires tandem pérovskite/silicium sont également réalisables".

Bernd Rech, directeur scientifique du HZB, déclare : "L'efficacité des cellules solaires tandem silicium/pérovskite se situe désormais dans la fourchette qui n'était atteinte auparavant que par des semi-conducteurs III/V onéreux". Les technologies de fabrication de ces cellules solaires tandem sont déjà disponibles en principe et potentiellement peu coûteuses ; il s'agit maintenant d'apporter des améliorations supplémentaires dans le domaine de la stabilité à l'extérieur.

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