Des chercheurs établissent un nouveau record mondial pour l’efficacité des cellules solaires

Illustration des panneaux solaires de nouvelle génération

Une équipe de recherche allemande a mis au point une cellule solaire tandem qui atteint un rendement de 24 % – mesuré en fonction de la fraction de photons convertis en électricité (c’est-à-dire en électrons). Il s’agit du plus haut rendement atteint jusqu’à présent avec cette combinaison d’absorbeurs organiques et à base de pérovskite, ce qui constitue un nouveau record mondial. La cellule solaire a été mise au point par le groupe du professeur Thomas Riedl à l’université de Wuppertal, en collaboration avec des chercheurs de l’institut de chimie physique de l’université de Cologne et d’autres partenaires de projet des universités de Potsdam et de Tübingen, ainsi que du Helmholtz-Zentrum Berlin et du Max-Planck-Institut für Eisenforschng de Düsseldorf. Les résultats ont été publiés aujourd’hui (13 avril 2022) dans Nature sous le titre “Perovskite/organic tandem solar cells with indium oxide interconnect”.

Les technologies conventionnelles de cellules solaires sont principalement basées sur le silicium semi-conducteur et sont maintenant considérées comme “aussi bonnes que possible”. On ne peut guère s’attendre à des améliorations significatives de leur efficacité, c’est-à-dire à une augmentation du nombre de watts de puissance électrique par watt de rayonnement solaire capté. Il est donc d’autant plus nécessaire de développer de nouvelles technologies solaires qui puissent apporter une contribution décisive à la transition énergétique. Deux matériaux absorbants alternatifs de ce type ont été combinés dans ce travail. Il s’agit de semi-conducteurs organiques, des composés à base de carbone qui peuvent conduire l’électricité dans certaines conditions. Ils ont été associés à une pérovskite, basée sur un composé plomb-halogène, qui présente d’excellentes propriétés semi-conductrices. Ces deux technologies nécessitent beaucoup moins de matériaux et d’énergie pour leur production par rapport aux cellules de silicium conventionnelles, ce qui permet de rendre les cellules solaires encore plus durables.

Cellule solaire en tandem composée de pérovskite et d'absorbeurs organiques

La partie gauche montre une cellule solaire tandem contactée dans le simulateur solaire de l’Université de Wuppertal, la partie droite l’appareil de mesure des niveaux d’énergie par spectroscopie photoélectronique de l’Université de Cologne. Crédit : à gauche : Cedric Kreusel, Wuppertal, à droite : Selina Olthof, Cologne

La lumière du soleil étant composée de différentes composantes spectrales, c’est-à-dire de couleurs, les cellules solaires efficaces doivent convertir la plus grande partie possible de cette lumière en électricité. Ceci peut être réalisé avec des cellules dites tandem, dans lesquelles différents matériaux semi-conducteurs sont combinés dans la cellule solaire, chacun d’entre eux absorbant différentes plages du spectre solaire. Dans l’étude actuelle, les semi-conducteurs organiques ont été utilisés pour les parties ultraviolette et visible de la lumière, tandis que la pérovskite peut absorber efficacement dans le proche infrarouge. Des combinaisons similaires de matériaux ont déjà été explorées dans le passé, mais l’équipe de recherche a réussi à augmenter considérablement leurs performances.

Au début du projet, les meilleures cellules tandem pérovskite/organique au monde avaient un rendement d’environ 20 %. Sous la direction de l’université de Wuppertal, les chercheurs de Cologne, en collaboration avec les autres partenaires du projet, ont réussi à porter cette valeur à un niveau sans précédent de 24 %. “Pour atteindre un tel rendement, il fallait minimiser les pertes aux interfaces entre les matériaux des cellules solaires”, a déclaré le Dr Selina Olthof de l’Institut de chimie physique de l’Université de Cologne. “Pour résoudre ce problème, le groupe de Wuppertal a développé une interconnexion qui couple électroniquement et optiquement la sous-cellule organique et la sous-cellule en pérovskite.”

En guise d’interconnexion, une fine couche d’oxyde d’indium d’une épaisseur de seulement 1,5 nanomètre a été intégrée dans la cellule solaire afin de réduire au maximum les pertes. Les chercheurs de Cologne ont joué un rôle clé dans l’évaluation des propriétés énergétiques et électriques des interfaces et de l’interconnexion afin d’identifier les processus de perte et d’optimiser davantage les composants. Les simulations effectuées par le groupe de Wuppertal ont montré que des cellules tandem d’un rendement supérieur à 30 % pourraient être réalisées à l’avenir grâce à cette approche.

Référence : “Cellules solaires tandem pérovskite/organique avec interconnexion d’oxyde d’indium” 13 avril 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04455-0

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