Les scientifiques ont établi un nouveau record mondial d'efficacité pour les cellules solaires CIGS à 23,64 pour cent, soulignant le potentiel de la technologie CIGS pour faire progresser l'efficacité et la fiabilité de l'énergie solaire. Cette réalisation marque une avancée significative dans la recherche de solutions d’énergie solaire plus efficaces et plus rentables.
L'Université d'Uppsala a établi un nouveau record mondial dans la production d'énergie électrique à partir de cellules solaires CIGS, atteignant un taux d'efficacité de 23,64 %. Cette réalisation a été vérifiée par un institut indépendant et les résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue, Énergie naturelle.
Ce record est le résultat d'une collaboration entre la société First Solar European Technology Center (anciennement Evolar) et des chercheurs en cellules solaires de l'Université d'Uppsala.
« Les mesures que nous avons prises nous-mêmes pour cette cellule solaire et d'autres cellules solaires produites récemment se situent dans la marge d'erreur des mesures indépendantes. Cette mesure sera également utilisée pour un étalonnage interne de nos propres méthodes de mesure », explique Marika Edoff, professeur de technologie des cellules solaires à l'université d'Uppsala, responsable de l'étude.
Marika Edoff, professeur et chef de la division de technologie des cellules solaires, Département de science et d'ingénierie des matériaux, Université d'Uppsala. Crédit : Mikael Wallerstedt
Le précédent record mondial était de 23,35 pour cent (Solar Frontier, Japon), précédé de 22,9 pour cent (ZSW, Allemagne). L'Université d'Uppsala a déjà détenu ce record, la première fois dans les années 1990 dans le cadre de la collaboration de recherche Euro-CIS.
« À une certaine époque, nous détenions également le record d'un prototype connecté en série. Même si cela fait longtemps que nous ne détenons pas le record de cellules, nous sommes souvent juste derrière les meilleurs résultats et bien sûr, il y a de nombreux aspects pertinents à considérer, comme le potentiel de passage à un processus à grande échelle, où nous avons toujours été à l'avant-garde », déclare Edoff.
L'impact mondial des cellules solaires
Les cellules solaires se multiplient rapidement dans le monde et l’énergie solaire représentait un peu plus de 6 % de l’électricité mondiale en 2022, selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE). Les meilleurs modules solaires en silicium cristallin, qui est le matériau le plus largement utilisé dans les cellules solaires, convertissent actuellement plus de 22 % de la lumière solaire en énergie électrique et les cellules solaires modernes sont à la fois peu coûteuses et stables à long terme.
L'un des objectifs de la recherche sur les cellules solaires est d'atteindre un rendement supérieur à 30 % avec des coûts de production raisonnables. L'accent est très souvent mis sur les cellules solaires tandem, car elles sont plus efficaces, mais jusqu'à présent, elles se sont avérées trop coûteuses pour une utilisation à grande échelle.
Le record mondial de 23,64 pour cent a été mesuré par l'institut indépendant Fraunhofer ISE en Allemagne. L'article scientifique présente une analyse matérielle et électrique approfondie de la cellule solaire ainsi qu'une comparaison avec des enregistrements antérieurs pour le même type de cellule solaire provenant d'autres instituts de recherche.
L'image montre une coupe transversale des couches actives de la cellule solaire à couche mince, avec une épaisseur totale ne dépassant pas 3 micromètres. Grâce au nano-XRF mesuré à l'installation MAX IV de Lund, il est possible de mesurer avec une grande précision la concentration d'éléments matriciels et d'oligo-éléments (dans ce cas, le rubidium) dans la cellule solaire. Crédit : Marika Edoff
Les propriétés les plus importantes d’une cellule solaire sont sa capacité à absorber la lumière et à transporter l’énergie vers une charge électrique. Pour que cela réussisse, le matériau doit être capable d’absorber une part optimale de la lumière solaire tout en évitant de gaspiller cette énergie en la convertissant en chaleur au sein de la cellule solaire.
Les cellules solaires CIGS sont constituées d'une feuille de verre constituée de verre à vitre normal qui a été recouverte de plusieurs couches différentes, chacune ayant une tâche spécifique. Le matériau qui absorbe la lumière du soleil est constitué de cuivre, d’indium, de gallium et de séléniure (d’où l’acronyme CIGS), avec des ajouts d’argent et de sodium. Cette couche est placée dans la cellule solaire elle-même, entre un contact arrière en molybdène métallique et un contact avant transparent. Pour rendre la cellule solaire aussi efficace que possible dans la séparation des électrons, la couche CIGS est traitée avec du fluorure de rubidium. L'équilibre entre les deux métaux alcalins, le sodium et le rubidium, et la composition de la couche CIGS sont essentiels au rendement de conversion, c'est-à-dire la part du spectre solaire complet qui est convertie en énergie électrique dans la cellule solaire.
Lorsque les instituts de mesure effectuent leurs tests, ils mesurent l’efficacité des cellules solaires en utilisant une lumière filtrée qui imite le soleil en intensité et en spectre. Pendant la mesure, la cellule solaire est maintenue à une température contrôlée et les instituts indépendants s'envoient régulièrement des cellules solaires d'étalonnage. Pour être enregistré comme record du monde, une mesure indépendante est nécessaire, qui dans ce cas a été réalisée par l'institut de mesure Fraunhofer ISE.
Avancées technologiques et perspectives d’avenir
« Notre étude démontre que la technologie des couches minces CIGS constitue une alternative compétitive en tant que cellule solaire autonome. La technologie possède également des propriétés qui peuvent fonctionner dans d’autres contextes, comme la cellule inférieure d’une cellule solaire tandem », explique Edoff.
Plusieurs méthodes de mesure avancées ont été utilisées pour mieux comprendre la corrélation entre l'efficacité et la structure de la cellule solaire : le matériau de la cellule solaire a été caractérisé par nano-XRF (spectroscopie de fluorescence X) à l'installation MAX IV de Lund, où un une analyse minutieuse de la composition a été effectuée. La microscopie électronique à transmission (TEM) à haute résolution a été utilisée pour étudier les sections efficaces de la cellule solaire, à la fois la composition en fonction de la profondeur et la manière dont les grains cristallins sont construits, ainsi que les interfaces entre les couches. Grâce à la photoluminescence, le spectre de la lumière émise par la cellule solaire après excitation par un laser a été étudié afin de comprendre dans quelle mesure la cellule solaire prend soin des électrons en interne. Une cellule solaire qui brille fortement a une part de pertes de chaleur interne inférieure à celle d’une cellule solaire qui brille faiblement. Enfin, des méthodes de mesures électriques ont été utilisées pour analyser le dopage du matériau CIGS.
«Le fait que nous détenions désormais le record du monde signifie beaucoup pour l'Université d'Uppsala et le premier centre technologique européen de l'énergie solaire. Pour la technologie CIGS, connue pour sa grande fiabilité, un record mondial signifie également qu'elle peut offrir une alternative viable pour de nouvelles applications, par exemple dans les cellules solaires en tandem. C’est important pour nos collègues chercheurs du monde entier. Nous espérons que les analyses des propriétés matérielles et électriques fourniront une base pour de nouvelles améliorations des performances », conclut Edoff.
