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Repousser les limites : les cellules solaires tandem atteignent un rendement de plus de 20 %

SciTechDaily

Les chercheurs ont développé une cellule solaire tandem combinant du séléniure d'antimoine et de la pérovskite, atteignant un rendement supérieur à 20 %, démontrant un potentiel important pour améliorer la conversion de l'énergie solaire et dépassant les limites d'efficacité traditionnelles.

Une cellule tandem a été construite en utilisant de la pérovskite et du séléniure d'antimoine.

Une équipe de recherche a démontré pour la première fois une preuve de concept de cellule solaire tandem utilisant du séléniure d'antimoine comme matériau de cellule inférieure et un matériau pérovskite hybride organique-inorganique à large bande interdite comme matériau de cellule supérieure. L'appareil a atteint un rendement de conversion de puissance de plus de 20 pour cent. Cette étude montre que le séléniure d’antimoine présente un grand potentiel pour les applications dans les cellules inférieures.

La recherche est publiée dans la revue Matériaux et dispositifs énergétiques le 4 mars 2024.

La technologie photovoltaïque, qui exploite la lumière du soleil et la convertit en électricité, est populaire car elle fournit une source d’énergie propre et renouvelable. Les scientifiques continuent de travailler pour améliorer l’efficacité de conversion d’énergie, ou la mesure de l’efficacité, des cellules solaires. Ils ont atteint des rendements de conversion d’énergie de plus de 20 % par rapport aux cellules solaires conventionnelles à jonction unique. Pour atteindre une efficacité énergétique supérieure à la limite de Shockley-Queisser dans les cellules solaires à jonction unique, il faudrait des coûts beaucoup plus élevés. Cependant, la limite de Shockley-Queisser des cellules solaires à jonction unique peut être surmontée grâce à la fabrication de cellules solaires en tandem. Grâce aux cellules solaires en tandem, les chercheurs peuvent obtenir une efficacité énergétique plus élevée en empilant les matériaux des cellules solaires les uns sur les autres.

Développement de cellules solaires tandem en séléniure d’antimoine

L’équipe de recherche a travaillé à la création de cellules solaires tandem, en utilisant un semi-conducteur appelé séléniure d’antimoine. Les recherches antérieures sur le séléniure d’antimoine se sont principalement concentrées sur les applications dans les cellules solaires à jonction unique. Mais l’équipe de recherche savait que du point de vue de la bande interdite, ce semi-conducteur pourrait s’avérer être un matériau de cellule inférieur approprié pour les cellules solaires tandem.

« Le séléniure d'antimoine est un matériau de cellule inférieur approprié pour les cellules solaires tandem. Cependant, en raison de la rareté des cellules solaires tandem qui l’utilisent comme cellule inférieure, peu d’attention a été accordée à son application. Nous avons assemblé une cellule solaire tandem avec un rendement de conversion élevé en l'utilisant comme cellule inférieure pour démontrer le potentiel de ce matériau », a déclaré Tao Chen, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université des sciences et technologies de Chine. Les cellules solaires en tandem sont mieux capables d'absorber la lumière du soleil que les cellules solaires à jonction unique qui utilisent une seule couche de matériau semi-conducteur. Les cellules solaires tandem convertissent une plus grande partie de la lumière solaire en électricité, elles sont donc plus économes en énergie que les cellules solaires à jonction unique.

Cellule solaire tandem efficace en pérovskite Sb2Se3

Démonstration d'une cellule solaire tandem de validation de principe composée de séléniure d'antimoine et de pérovskite à large bande interdite comme matériaux d'absorption des sous-cellules inférieures et supérieures. Le dispositif atteint un rendement de conversion de puissance supérieur à 20 % en optimisant l'électrode transparente de la cellule supérieure et le processus de préparation de la cellule inférieure. Crédit : Matériaux et dispositifs énergétiques, Tsinghua University Press

Améliorations dans la conception des cellules solaires

L’équipe a fabriqué des cellules solaires tandem pérovskite/séléniure d’antimoine dotées d’une électrode conductrice transparente pour une réponse spectrale optimisée. Ils ont pu ajuster l’épaisseur de la couche d’électrode transparente de la cellule supérieure pour obtenir un rendement élevé supérieur à 17 %. Ils ont optimisé la cellule inférieure au séléniure d'antimoine en introduisant une double couche de transport d'électrons et ont atteint un rendement de conversion de puissance de 7,58 pour cent.

Lorsqu'ils ont assemblé mécaniquement les cellules supérieure et inférieure pour créer la cellule solaire tandem à quatre bornes, le rendement de conversion d'énergie a dépassé 20,58 %, ce qui est supérieur à celui des sous-cellules indépendantes. Leur cellule solaire tandem présente une excellente stabilité avec des éléments de composition non toxiques. « Ce travail fournit une nouvelle structure de dispositif tandem et démontre que le séléniure d'antimoine est un matériau absorbant prometteur pour les applications de cellules inférieures dans les cellules solaires tandem », a déclaré Chen.

Pour l’avenir, l’équipe espère travailler à une cellule solaire tandem à deux bornes plus intégrée et améliorer encore les performances de l’appareil. « La haute stabilité du séléniure d'antimoine offre une grande commodité pour la préparation de cellules solaires tandem à deux bornes, ce qui signifie qu'elle peut donner de bons résultats lorsqu'elle est associée à un certain nombre de types différents de matériaux de cellules supérieures. »

L'équipe de recherche comprend Zhiyuan Cai, Huiling Cai, Yuehao Gu, Rongfeng Tang, Changfei Zhu et Tao Chen de l'Université des sciences et technologies de Chine, ainsi que Jia Sun et Paifeng Luo de l'Université de technologie de Hefei.

Cette recherche est financée par le Programme national clé de recherche et de développement de Chine ; Fondation nationale des sciences naturelles de Chine ; Projet clé du Fonds d'orientation pour l'innovation industrielle de coopération école-locale, Université de technologie de Hefei, Chine ; Projet majeur d'application technique de Wuhu, Chine ; et le programme d'innovation collaborative du Hefei Science Center, CAS.

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