Un coup de pouce à la technologie des cellules solaires associant pérovskite et silicium
La technologie photovoltaïque (PV) a connu un véritable essor depuis la première démonstration pratique d’une cellule solaire en silicium cristallin par Bell Labs en 1954. Cependant, la limite théorique en matière de rendement se profilant à l’horizon, la recherche de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes visant à accroître l’efficacité et réduire les coûts se poursuit. Parmi les technologies de troisième génération les plus prometteuses en cours de développement figurent celles qui ont recours aux pérovskites, une classe d’halogénures organométalliques cristallins dans laquelle de nombreux cations différents peuvent être intégrés. Le rendement a augmenté de manière exponentielle au cours des dix dernières années et le marché devrait dépasser les 500 millions d’USD à l’horizon 2028. Le projet CHEOPS, financé par l’UE, entendait réaliser des percées en matière de rendement et de procédés pour accroître la production de cellules solaires à base de pérovskite. Le silicium standard absorbe les photons à faible énergie. La pérovskite permet de capter une plus grande partie de l’énergie de la lumière dans la mesure où les caractéristiques uniques de ce matériau en font le candidat idéal pour tirer parti des photons bleus à haute énergie. En utilisant la pérovskite dans les couches actives, les chercheurs se sont efforcés d’exploiter le potentiel de ce matériau pour une production à grande échelle et à faible coût. Repousser les limites des cellules solaires à base de pérovskite Sur le plan technologique, l’objectif premier était d’améliorer l’efficacité des cellules de pérovskite à jonction unique, puis d’exploiter la technologie dite «tandem» en produisant une couche de pérovskite sur du silicium. Les chercheurs de CHEOPS sont passés d’un prototype de laboratoire à jonction unique en pérovskite à faible teneur en plomb de 1x1 cm2 affichant une efficacité de 15 % à un module de démonstration de 10x10 cm2, le tout avec une perte minimale d’efficacité. Il s’agit d’une avancée majeure. Cette expérience a également mis en évidence le défi qui reste à relever pour cette nouvelle technologie, à savoir la contrôlabilité des processus. L’équipe s’emploie à mettre au point de nouvelles techniques de dépôt pour permettre le revêtement uniforme de films compacts de grande surface qui répondent aux exigences industrielles. En ce qui concerne la technologie du tandem pérovskite-silicium, Nicolay Sylvain, coordinateur du projet, explique: «CHEOPS a démontré pour la première fois qu’il était possible de produire des cellules supérieures de pérovskite sur des cellules inférieures en silicium dotées d’une surface entièrement texturée. Étant donné que le marché du photovoltaïque à base de silicium standard a recours à ce type de cellules texturées, le fait de pouvoir les utiliser de cette façon est un facteur clé pour le développement futur de la pérovskite. Par ailleurs, plusieurs partenaires de CHEOPS ont établi des records mondiaux en matière de rendement.» La cellule tandem à hétérojonction pérovskite/silicium (1,43 cm2) a atteint un rendement de conversion électrique de 25,4 %, dépassant le précédent record mondial établi par les partenaires de CHEOPS. Les scientifiques ont également élaboré des protocoles de mesure unifiés et normalisés qui permettent des comparaisons plus précises des différentes approches. Comme M. Sylvain l’explique: «À l’heure actuelle, de nombreux protocoles différents sont utilisés pour mesurer les dispositifs PV à base de pérovskite, ce qui rend toute comparaison difficile. Les partenaires de CHEOPS ont convenu d’un protocole de mesure unifié qui sera communiqué sous la forme d’un livre blanc.» Les cellules solaires à base de pérovskite obtiennent le feu vert L’équipe a effectué des analyses socio-économiques cruciales qui démontrent que le développement de la technologie est justifié. Et M. Sylvain d’ajouter: «La pérovskite est en effet une technologie qui peut fortement modifier le paysage du secteur photovoltaïque en ce sens qu’elle nous permettra d’obtenir des modules PV plus efficaces et moins onéreux.» En s’appuyant sur les succès majeurs qu’ils ont obtenus en démontrant l’évaporation de la pérovskite sur des cellules de fonds en silicium entièrement texturées et la faible perte de rendement «cell-to-module» (cellule-à-module) pour les cellules de pérovskite à jonction unique, plusieurs partenaires sont déjà en pourparlers avec des fabricants afin de capitaliser sur les résultats du projet. L’avenir s’annonce prometteur pour les modules PV à pérovskite et les contributions de CHEOPS ouvrent la voie à un leadership européen dans ce domaine majeur.
Mots‑clés
CHEOPS, pérovskite, cellules, silicium, rendement, PV, solaire, cellules solaires, jonction unique, cellule tandem