Photo de la cellule solaire tandem pérovskite/silicium. La zone active au milieu de la plaquette est entourée par l’électrode d’argent. Crédit : Johannes Beckedahl/Lea Zimmerman/HZB
Les cellules solaires tandem les plus avancées aujourd’hui, composées d’une base de silicium et d’une couche supérieure en pérovskite, peuvent transformer environ un tiers de la lumière solaire qu’elles reçoivent en énergie électrique. Ce sont des valeurs records, surtout pour une technologie potentiellement très peu coûteuse. Une équipe du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) fournit désormais les données scientifiques et décrit dans la revue Science comment ce développement a été réalisé.
«Cette réalisation a été possible parce que chez HZB, nous avons acquis une expertise à la fois dans la technologie des hétérojonctions de silicium et dans les cellules solaires à pérovskite et que nous travaillons en très 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 HySPRINT Innovation Lab et les experts en silicium du PV Competence Center (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 la une des journaux en décembre 2022 en établissant un nouveau record mondial d’efficacité, en convertissant 32,5 % de la lumière solaire incidente en énergie électrique. Ce record mondial a tenu 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, avec de nombreux groupes à travers le monde travaillant dans ce domaine. Aujourd’hui, l’équipe 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.
L’illustration montre la structure schématique de la cellule solaire tandem avec une cellule inférieure en silicium et une cellule supérieure en pérovskite. Alors que la cellule du haut utilise les composantes « bleues » du spectre, la cellule du bas convertit la lumière rouge et proche infrarouge. Différentes couches minces optimisent l’utilisation de la lumière et minimisent les pertes. Crédit : Eike Köhnen/HZB
Albrecht et son équipe se sont appuyés principalement sur un composé pérovskite considérablement amélioré et sur une modification de surface sophistiquée utilisant une nouvelle molécule d’iodure de pipérazinium développée par les chercheurs postdoctoraux Dr Silvia Mariotti et Dr Eike Köhnen. Cela a largement supprimé la recombinaison des charges et réduit considérablement 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 davantage sur la base d’une compréhension plus approfondie. Les développements ont ensuite été combinés et transférés aux cellules solaires tandem, avec des ajustements supplémentaires sur l’électrode supérieure pour une optique améliorée.
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 permettant de modifier la surface ont été synthétisées au Centre Joxe Mari Korta de Saint-Sébastien, en Espagne ; et une équipe de l’Université technique de Kaunas en Lituanie a aidé à traiter les nouveaux composés pérovskites 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 phototension (tension en circuit ouvert) et de photocourant, et donc d’efficacité.
Développement impressionnant ces dernières années
Au cours des dernières années, divers instituts de recherche et entreprises photovoltaïques du monde entier ont continuellement amélioré l’efficacité des cellules solaires. Les deux dernières années ont été particulièrement passionnantes : les équipes du HZB ont atteint fin 2021 une valeur record d’un peu moins de 30 % (29,8 %) pour les cellules solaires tandem en silicium et pérovskite.
Ceci a été réalisé en introduisant des nanostructures périodiques spéciales dans les cellules solaires. À l’été 2022, l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse a signalé une cellule tandem certifiée avec un rendement de 31,3 %. De décembre 2022 à mi-avril 2023, le record du monde était de retour à HZB avec 32,5 %, jusqu’à ce que le laboratoire photovoltaïque KAUST en Arabie Saoudite démontre une cellule tandem en silicium pérovskite avec 33,2 % en laboratoire. KAUST a même réussi à augmenter ce chiffre à 33,7% en mai 2023.
« Nous sommes très enthousiasmés par ces formidables avancées dans notre discipline scientifique », déclare Albrecht. « Ils nous donnent l’espoir que cette technologie pourra apporter une contribution importante à un approvisionnement énergétique durable dans la lutte contre le changement climatique dans les années à venir, car la production industrielle et à grande échelle de cellules solaires tandem pérovskite/silicium est également réalisable ».
Le directeur scientifique de HZB, le professeur Bernd Rech, déclare : « L’efficacité des cellules solaires tandem silicium/pérovskite se situe désormais dans la plage qui n’était auparavant atteinte que par des systèmes III/V coûteux. semi-conducteurs.»
Les technologies permettant de fabriquer de telles cellules solaires tandem sont déjà disponibles en principe et potentiellement peu coûteuses ; l’accent est désormais mis sur de nouvelles améliorations dans le domaine de la stabilité en utilisation extérieure.
