Le développement par ICFO d'une cellule solaire organique tandem à quatre bornes avec un rendement de 16,94 % marque une avancée significative dans la technologie de l'énergie solaire, promettant de nouvelles applications dans la conversion d'énergie durable et les carburants solaires. Illustration artistique de la cellule solaire organique à quatre tandems développée. Crédit : ICFO/Francisco Bernal-Texca
Les chercheurs de l'ICFO ont fabriqué une nouvelle cellule solaire organique à quatre bornes avec une configuration en tandem avec un rendement de conversion d'énergie (PCE) de 16,94 %. Le nouveau dispositif est composé d'une cellule frontale hautement transparente qui intègre une électrode transparente ultra fine en argent (Ag) de seulement 7 nm, ce qui garantit son fonctionnement efficace.
Les cellules solaires organiques (OSC) tandem à deux bornes s'imposent comme une solution de premier plan pour surmonter les problèmes de pertes de transmission et de thermalisation observés dans les cellules solaires à jonction unique. Ces cellules solaires organiques sont constituées de sous-cellules avant et arrière avec des bandes interdites variables, permettant une absorption et une utilisation plus larges du spectre solaire.
Cependant, pour obtenir des performances optimales dans de telles configurations, il faut un équilibre de courant suffisant entre les deux sous-cellules. De plus, la fabrication de cellules solaires organiques en tandem de ces types est un défi car elles nécessitent une couche d'interconnexion robuste capable de faciliter une recombinaison efficace des charges tout en conservant une transparence élevée.
La configuration tandem à quatre bornes
La configuration tandem à quatre bornes s'est imposée comme une stratégie alternative très efficace dans la conception de cellules solaires. Contrairement à l'approche à deux bornes, cette configuration comporte des connexions électriques séparées pour la cellule avant transparente et la cellule arrière opaque. Par conséquent, la question de l’adaptation du courant électrique n’est plus un facteur limitant. Cette configuration permet une plus grande flexibilité dans la sélection des bandes interdites de chaque cellule du tandem, optimisant ainsi photon absorption et amélioration de l’efficacité globale de la production d’énergie solaire.
Maintenant, dans une nouvelle étude publiée dans le Journal Solaire RRL, les chercheurs de l'ICFO Francisco Bernal-Texca et le professeur Jordi Martorell décrivent la fabrication d'une cellule solaire organique tandem à quatre bornes qui a atteint un rendement de conversion d'énergie (PCE) de 16,94 %. Au cœur de cette réalisation se trouve la fabrication d’une électrode d’argent transparente ultra-mince, un composant essentiel qui a joué un rôle central dans l’optimisation des performances de la cellule solaire tandem.

Une cellule solaire organique transparente développée par Francisco Bernal du groupe de recherche sur les photovoltaïques organiques nanostructurés de l'ICFO. Crédit : ICFO/Francisco Bernal-Texca
Pour fabriquer le nouveau dispositif, les chercheurs ont d'abord exploré les matériaux organiques destinés à la couche photoactive des deux cellules. Ils ont examiné l’efficacité de trois mélanges distincts pour la cellule frontale, conçue pour récolter les photons à haute énergie. Le mélange le plus performant, nommé PM6:L8-BO, a finalement été choisi. Pour la cellule arrière-opaque, les chercheurs ont décidé d'utiliser le mélange PTB7-Th:O6T-4F, avec une bande interdite étroite, ce qui le rend mieux adapté à l'absorption de la partie infrarouge du spectre (photons de basse énergie).
Après avoir choisi les mélanges, les chercheurs ont utilisé une approche numérique pour concevoir la structure finale de l'OSC à quatre tandems. Ils ont utilisé le formalisme matriciel combiné à la méthodologie conventionnelle de résolution de problèmes inverse pour trouver les performances optimales et la configuration finale du dispositif solaire.
Rôle clé de l'électrode d'argent ultra fine
La fabrication d’une électrode d’argent transparente ultra-mince d’une épaisseur de seulement 7 nm était l’ingrédient clé de la recherche actuelle. Cet élément a été placé à l'arrière de la cellule avant, assurant une bonne transmission lumineuse pour alimenter la cellule arrière. Les électrodes Ag supérieures conventionnelles utilisées pour les applications de cellules solaires transparentes ont généralement une épaisseur comprise entre 9 et 15 nm.
Sa production exigeait un contrôle méticuleux des conditions de laboratoire pour garantir précision et cohérence. L'électrode a ensuite été empilée avec trois couches diélectriques alternant du trioxyde de tungstène (WO3) et du fluorure de lithium (LiF). Cette structure photonique multicouche joue un rôle crucial, car elle est positionnée entre les deux cellules pour faciliter une distribution efficace et uniforme de la lumière. « Cette structure présente une transmission élevée dans la gamme 750-1 000 nm et une réflectivité élevée dans la gamme 500-700 nm », ont écrit les chercheurs.
« Le développement d’une électrode intermédiaire transparente en argent est crucial pour le fonctionnement efficace de la cellule solaire. Il doit présenter un équilibre délicat, étant suffisamment transparent pour permettre à la lumière d’atteindre la cellule arrière tout en conservant une conductivité électrique élevée pour garantir les performances optimales de la cellule avant », a déclaré Francisco Bernal, chercheur à l’ICFO et premier auteur de l’étude. « Pouvoir fabriquer une électrode de seulement 7 nm sans observer de pertes dans les cellules transparentes avant constitue une avancée significative dans le domaine des cellules transparentes. »
Les chercheurs ont testé les performances photovoltaïques de l’appareil sous 1 soleil d’éclairage avec un simulateur solaire et ont mesuré son efficacité quantique. Le dispositif a atteint un rendement de conversion de puissance de 16,94 %, ce qui, à ce jour, serait le plus élevé atteint pour une cellule organique tandem à quatre bornes. Les auteurs de l'étude remarquent que le record officiel actuel d'efficacité pour les dispositifs tandem organiques est de 14,2 % et que le dernier PCE signalé pour les tandems organiques à 4 bornes est de 6,5 %.
« Notre recherche présente des applications potentielles dans les cellules photoélectrochimiques (PEC), répondant à des exigences électriques cruciales telles que la fourniture de la tension nécessaire pour dépasser celle établie pour entraîner la division de l'eau ou du CO.2 réactions de réduction comme dans le projet SOREC2 », explique le professeur Jordi Martorell, chercheur à l'ICFO et coordinateur du projet SOREC2. « La méthodologie de conception et de mise en œuvre de la structure tandem à quatre terminaux pourrait être appliquée à la conception de nouveaux systèmes où une répartition adéquate de la lumière dans les éléments est cruciale pour les performances d'un certain appareil. »
Les chercheurs se concentrent actuellement sur le raffinement, le réglage et l’amélioration de la méthodologie et de la conception structurelle adaptées à des applications telles que les carburants solaires, où les dispositifs tandem ont une applicabilité étendue. En optimisant la méthodologie et les stratégies de conception, les chercheurs visent à libérer tout le potentiel de ces dispositifs en exploitant l'énergie solaire pour des processus de conversion d'énergie diversifiés et durables, tels que le CO.2 conversion et valorisation.
Jordi Martorell et Francisco Bernal-Texca sont des membres actifs du projet SOREC2. SOREC2 est un projet financé par l'UE visant à développer une nouvelle technologie pour transformer directement la lumière du soleil et le CO2 en produits chimiques à valeur ajoutée, permettant un stockage d’énergie sûr et efficace. Le consortium développera une nouvelle cellule photoélectrochimique compacte en tandem alimentée par la lumière solaire et un nouveau système de catalyseur hybride pour améliorer la sélectivité envers le C.2 des produits.