Des traitements post-dépôt qui améliorent l’efficacité des cellules solaires en couches minces
La technologie photovoltaïque (PV), qui convertit l’énergie lumineuse du soleil en électricité, a connu une évolution rapide. Les cellules solaires en silicium de première génération continuent à jouer un rôle majeur en répondant aux besoins énergétiques mondiaux. La production annuelle mondiale de modules PV de seconde génération, ou cellules solaires en couches minces, est également en croissance. Toutefois, l’efficacité obtenue reste inférieure à celle des technologies de première génération. L’ambitieux projet Sharc25, financé par l’UE, s’est attaché à ramener les secondes au niveau des premières. Les cellules solaires en couches minces sont fabriquées par dépôts successifs de très fines couches (quelques micromètres au maximum) de matériaux semiconducteurs sur un substrat de support. Sharc25 s’est tout d’abord penché sur les cellules solaires cuivre - indium - gallium - sélénium (CIGS), principalement sur des substrats en verre, mais pas uniquement. Des innovations cruciales en matière de traitement post-dépôt et de conception d’interface ont ouvert la voie à des résultats de tout premier ordre. Des traitements post-dépôt novateurs qui brisent les barrières Selon le coordinateur du projet, Wolfram Witte, quand le projet Sharc25 a débuté en 2015, «seuls quelques instituts de recherche et entreprises dans le monde entier étaient parvenus à dépasser la barre des 20 % d’efficacité avec des cellules solaires CIGS, généralement en recourant à un traitement post-dépôt à base de fluorure de potassium (KF-PDT)». ZSW et Empa, partenaires de Sharc25, étaient de ceux-là. En trouvant d’autres processus de traitements post-dépôt que le KF-PDT pour les absorbeurs CIGS, les chercheurs ont allongé la liste des possibilités de traitements post-dépôt (PDT) avec des métaux alcalins en utilisant des PDT au fluorure de rubidium (RbF‐PDT) ou encore des PDT au fluorure de césium (CsF-PDT). Ces processus améliorés pour la fabrication et la conception avancée des interfaces des absorbeurs CIGS ont conduit à améliorer plus encore l’efficacité. En juin 2016, le projet a annoncé un nouveau record du monde pour les cellules solaires CIGS de petite surface sur des substrats en verre, avec une efficacité de 22,6 %. Les substrats flexibles offrent une solution polyvalente adaptable à la fois aux bâtiments et aux applications mobiles. Sharc25 a fait également progresser ce domaine en battant un autre record du monde pour les cellules solaires CIGS sur substrat flexible avec une efficacité de 20,8 %. La publication des résultats et des processus associés a déclenché une nouvelle vague de recherche et développement au niveau mondial utilisant les traitements RbF-PDT ou CsF-PDT, et contribuant ainsi à repousser encore les frontières de cette technologie. Coup d’œil sur le futur Les entreprises partenaires commercialisent la technologie en couches minces haute efficacité en mettant en œuvre les processus de PDT avec des métaux alcalins pour produire des modules solaires de grande surface à partir des cellules solaires en couches minces CIGS. Par ailleurs, les technologies en couches minces de Sharc25 pourraient assez rapidement trouver leur place au sein des technologies photovoltaïques recourant au pérovskite de troisième génération. Le pérovskite est au centre de l’attention à l’échelle mondiale du fait de son efficacité démontrée de plus de 20 % ainsi que de son énergie de bande interdite élevée. Les scientifiques de Sharc25 ont fabriqué une cellule solaire d’une efficacité de 18 % avec un traitement RbF-PDT et une énergie de bande interdite faible de 1,0 eV. Comme l’explique Wolfram Witte: «Ce matériau est un candidat idéal pour une cellule de fond dans des applications en tandem avec un matériau à énergie de bande interdite élevée, comme le pérovskite de troisième génération, en cellule du dessus.» L’équipe a diffusé la nouvelle au cours des nombreuses présentations réalisées dans le cadre de conférences et en publiant de multiples articles dans des journaux scientifiques à comité de lecture. Le consortium a également organisé deux ateliers publics internationaux qui ont connu un franc succès. «Sharc25 a contribué à approfondir nos connaissances en matière de physique des cellules solaires en couches minces CIGS à haute efficacité en recourant à des méthodes de caractérisation, à des outils d’analyse, à des dispositifs de simulation et à une modélisation fonctionnelle de densité à la pointe de la technologie», conclut Wolfram Witte. Grâce à cette approche complémentaire, Sharc25 a développé de nouvelles méthodes d’amélioration de l’efficacité, dont certaines ont déjà été mises en production avec succès. En atteignant de nouveaux records en matière d’efficacité des cellules solaires CIGS, l’équipe a contribué à relever la barre dans le domaine des cellules solaires en couches minces.
Mots‑clés
Sharc25, cellule solaire, CIGS, traitement post-dépôt (PDT), efficacité, couches minces, substrat, flexible, énergie, dépôt, bande interdite, lumière, métal alcalin, interface, photovoltaïque, électricité