La cellule du record du monde (ici devant l’anneau de stockage d’électrons BESSY II) a une superficie d’environ un centimètre carré, une taille typique de laboratoire. Crédit : Amran Al-Ashouri /HZB
Trois équipes HZB dirigées par le professeur Christiane Becker, le professeur Bernd Stannowski et le professeur Steve Albrecht ont réussi conjointement à augmenter l’efficacité des cellules solaires tandem en pérovskite silicium entièrement fabriquées à HZB à une nouvelle valeur record de 29,80 %. La valeur a maintenant été officiellement certifiée et est documentée dans les graphiques NREL. Cela met la barre des 30 pour cent à portée de main.
Les modules solaires d’aujourd’hui sont principalement constitués de silicium et les possibilités d’augmentation supplémentaire de l’efficacité ont déjà été largement exploitées. Mais depuis 2008, la classe de matériaux des « pérovskites aux halogénures métalliques » est devenue l’objet de la recherche : ces composés semi-conducteurs convertissent très bien la lumière solaire en énergie électrique et offrent encore de nombreuses possibilités d’amélioration. En particulier, ils peuvent être combinés avec des cellules solaires au silicium pour mettre en tandem des cellules solaires qui utilisent la lumière du soleil de manière beaucoup plus efficace.
Une course aux records
Chez HZB, plusieurs groupes travaillent de manière intensive depuis 2015 à la fois sur les technologies des semi-conducteurs pérovskites et du silicium et sur la combinaison des deux dans des cellules solaires tandem innovantes. En janvier 2020, HZB avait atteint un record de 29,15 % pour une cellule solaire tandem en silicium pérovskite et a publié les travaux dans la revue Science. Puis, avant Noël 2020, la société Oxford PV a pu annoncer un rendement certifié de 29,52 %. Depuis lors, la course passionnante aux nouveaux records est lancée. « Une efficacité de 30 % est comme un seuil psychologique pour cette nouvelle technologie fascinante qui pourrait révolutionner l’industrie photovoltaïque dans un proche avenir», explique Steve Albrecht, qui travaille sur des films minces de pérovskite au laboratoire HySPRINT de HZB. Bernd Stannowski, chef de groupe pour la technologie du silicium, ajoute : « Je tiens particulièrement à souligner la bonne coopération entre les différents groupes et instituts de HZB. C’est ainsi que nous avons réussi à développer ces nouvelles cellules solaires en tandem entièrement chez HZB et à obtenir une nouvelle fois le record du monde. »
La cellule tandem silicium pérovskite repose sur deux innovations : une face avant nanotexturée (à gauche) et une face arrière avec réflecteur diélectrique (à droite). Crédit : Alexandros Cruz /HZB
Certification officielle
La recherche et le développement récents se sont concentrés sur l’amélioration optique de la cellule inférieure à hétérojonction en silicium. Une face avant nanotexturée et un réflecteur arrière diélectrique ont été ajoutés. Maintenant est venue la confirmation officielle de Fraunhofer ISE CalLab : « Nos nouvelles cellules solaires tandem en silicium pérovskite ont été certifiées de manière indépendante avec un record mondial d’efficacité de 29,80 % », se réjouit Christiane Becker, experte des nanostructures dans les cellules solaires et de leurs effets sur l’optique. et les propriétés électriques.
Silicium nanotexturé
Pour le nouveau travail, le Dr Philipp Tockhorn (groupe Albrecht) et le doctorant Johannes Sutter (groupe Becker) ont étudié comment les nanostructures à différentes interfaces affectent les performances d’une cellule solaire en tandem, constituée d’une cellule solaire en pérovskite au-dessus d’une cellule solaire en silicium. . Tout d’abord, ils ont utilisé une simulation informatique pour calculer la densité de photocourant dans les sous-cellules de pérovskite et de silicium pour différentes géométries avec et sans nanotextures. Ensuite, ils ont produit des cellules solaires tandem en silicium pérovskite avec différentes textures : « Même la nanotexturation d’un côté améliore l’absorption de la lumière et permet un photocourant plus élevé par rapport à une référence plate », explique Sutter. Et son collègue Tockhorn d’ajouter : « remarquablement, les nanotextures conduisent également à une légère amélioration de la qualité électronique de la cellule solaire tandem et à une meilleure formation de film des couches de pérovskite. »
Réflecteur diélectrique
Des améliorations ont également été apportées à l’arrière de la cellule solaire tandem, qui est conçue pour refléter la lumière infrarouge dans l’absorbeur de silicium. « En utilisant un réflecteur diélectrique, nous avons pu utiliser cette partie de la lumière du soleil plus efficacement, ce qui a entraîné un photocourant plus élevé », explique le Dr Alexandros Cruz Bournazou (groupe Stannowski).
Les perspectives sont lumineuses
Les résultats ouvrent la voie à d’autres améliorations. Les simulations suggèrent que les performances pourraient être encore augmentées en nanostructurant les couches absorbantes des deux côtés. Les chercheurs sont convaincus qu’une efficacité bien supérieure à 30 % pourrait être atteinte prochainement. La course est lancée.
Référence : « Cellule solaire tandem perovskite/silicium monolithique avec une efficacité > 29 % par extraction améliorée des trous » par Amran Al-Ashouri, Eike Köhnen, Bor Li, Artiom Magomedov, Hannes Hempel, Pietro Caprioglio, José A. Márquez, Anna Belen Morales Vilches , Ernestas Kasparavicius, Joel A. Smith, Nga Phung, Dorothee Menzel, Max Grischek, Lukas Kegelmann, Dieter Skroblin, Christian Gollwitzer, Tadas Malinauskas, Marko Jošt, Gašper Matic, Bernd Rech, Rutger Schlatmann, Marko Topic, Laaters Korte, Antonio Abaters , Bernd Stannowski, Dieter Neher, Martin Stolterfoht, Thomas Unold, Vytautas Getautis et Steve Albrecht, 11 décembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abd4016
