Records: cellules photovoltaïques en tandem pérovskite-silicium

Pour la première fois, des cellules photovoltaïques tandem pérovskite-silicium franchissent la barre des 30 % de rendement grâce aux travaux des scientifiques du Laboratoire de Photovoltaïque et Couches Minces Electroniques (PV-Lab) de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur (STI) à l'EPFL en collaboration avec le centre suisse d’innovation CSEM. Homologués de manière indépendante par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis, ces résultats donnent un coup d’accélérateur au photovoltaïque à haut rendement et ouvrent la voie à une production d’électricité solaire encore plus concurrentielle.

L’augmentation du rendement de conversion des cellules photovoltaïques est importante pour deux raisons. Sur le long terme, elle constitue le meilleur moyen de réduire les coûts de l’électricité solaire. Sur le court terme, elle est idéale pour favoriser l’adoption du photovoltaïque pour des applications où l’espace à disposition est limité, par exemple, les toitures, les façades, les véhicules, voire les drones.

Toutefois, le rendement des cellules photovoltaïques est fondamentalement limité par leurs matériaux constitutifs. Les technologies les plus répandues à ce jour font appel au silicium. Malgré son succès, le silicium a une limite de rendement théorique d’environ 29 %. Les niveaux atteints par les meilleures cellules de laboratoire aujourd’hui sont légèrement en deçà de 27 %, ce qui laisse très peu de marge de progression pour l’avenir.

Dans la course à l’innovation pour s’affranchir de cette limitation du silicium, les scientifiques ont ajouté une ou plusieurs cellules complémentaires au silicium pour former des cellules « tandem ». La lumière visible du soleil, dont l’énergie est plus haute, est absorbée par la cellule supérieure, tandis que la lumière infrarouge, à énergie plus basse, est absorbée par la cellule silicium placée à l’arrière de la cellule tandem. Les pérovskites à halogénure ont été identifiés comme un complément idéal au silicium car, ensemble, ils peuvent convertir plus efficacement la lumière en électricité, sans augmenter exagérément les coûts de fabrication.

Double record du monde

Nous avons franchi un cap psychologique. Nous avons validé expérimentalement le potentiel de haut rendement des tandems pérovskite-silicium. La barre de 30 % d’efficacité avait déjà été franchie avec d’autres matériaux, à savoir les semiconducteurs III-V utilisés dans des cellules à deux ou trois jonctions. Toutefois, ces matériaux et leurs procédés de fabrication sont trop onéreux pour favoriser la transition énergétique. En effet, ces dispositifs sont mille fois plus coûteux que les cellules photovoltaïques au silicium. Nos résultats sont les premiers à montrer que la barre des 30 % peut être franchie avec des matériaux et procédés potentiellement bon marché, ce qui devrait ouvrir de nouvelles perspectives d’avenir au photovoltaïque .

Les chercheuses et chercheurs de Neuchâtel ont réussi à améliorer le rendement de deux types de tandems pérovskite-silicium. Dans un premier temps, ils ont adapté les matériaux et les techniques de fabrication afin de déposer des couches de pérovskite de haute qualité sur des cellules en silicium planes. Ils ont atteint un rendement de conversion de 30,93 % pour une cellule de 1 cm². Dans un deuxième temps, grâce à une nouvelle version d’un procédé hybride de déposition combinant phase vapeur et une solution liquide compatible avec les surfaces texturées du silicium, ils ont réalisé une cellule atteignant un rendement de conversion de 31,25 % (toujours sur 1 cm²). Ces résultats constituent deux nouveaux records du monde : l’un pour l’architecture planaire et l’autre pour l’architecture texturée. La deuxième approche fournit un courant plus élevé et est compatible avec la structure des cellules photovoltaïques industrielles en silicium utilisées actuellement. Le précédent record de conversion de rendement pour des cellules photovoltaïques en tandem pérovskite-silicium a été établi en 2021 par une équipe du Helmholtz Zentrum de Berlin, laquelle avait atteint 29,8 %. Les nouveaux records de l’EPFL et du CSEM ont été homologués aux États-Unis de manière indépendante par le National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Un avenir radieux

« Fort de ces résultats en matière de rendement, la R&D doit désormais aller plus loin, afin de les reproduire sur des surfaces plus grandes et de s’assurer que ces nouvelles cellules peuvent maintenir une production d’électricité stable sur nos toitures et ailleurs pendant une durée de vie standard », fait remarquer Quentin Jeangros du CSEM. « Nous savions que les technologies tandems pérovskite-silicium pouvaient potentiellement franchir la barre symbolique des 30 % d’efficacité. Mais c’est la première fois que cette hypothèse, annoncée il y a longtemps, est prouvée, ce qui, espérons-le, pourra ouvrir la voie à une électricité durable encore moins chère à l’avenir », déclare Christian Wolff de l’EPFL en guise de conclusion.

Ces travaux de recherche ont été menés par l’équipe de l’EPFL PV-Lab à Neuchâtel (Dr. Xin Yu Chin, Deniz Türkay, Kerem Artuk, Dr. Mathieu Boccard et leurs collègues du groupe « Tandem Photovoltaics » de l’EPFL dirigé par Dr. Christian Wolff), en collaboration avec des scientifiques du CSEM (Dr. Brett Kamino, Dr. Florent Sahli, Dr. Soo-Jin Moon, Arnaud Walter et leurs collègues, sous la direction de Dr. Quentin Jeangros). Ils ont été subventionnés par l’Office fédéral suisse de l’énergie, le Fonds national suisse de la recherche scientifique, la Commission européenne, les Services Industriels de Genève et l’Advanced Manufacturing Initiative du domaine des EPF.