Jusqu'à récemment, les cellules solaires à base de chalcopyrite atteignaient une efficacité de conversion d'énergie maximale de 23,35 %, comme l'a rapporté en 2019 Solar Frontier, une ancienne société d'énergie solaire basée au Japon. Cependant, accroître davantage cette efficacité s'est jusqu'à présent révélé un défi.
Des chercheurs de l'Université d'Uppsala et du Premier centre technologique européen solaire AB (anciennement Evolar AB) en Suède ont récemment atteint un rendement plus élevé de 23,64 % dans les cellules solaires à base de chalcopyrite. Cette efficacité, rapportée dans Nature Energy , a été obtenu en utilisant deux techniques principales, à savoir l'alliage d'argent à haute concentration et la teneur en gallium à contact arrière raide.
"L'un des principaux objectifs de notre étude était d'augmenter l'efficacité des cellules solaires à couches minces basées sur le CIGS pour, à terme, réduire le prix par Watt-crête des modules correspondants à grande échelle", a déclaré Jan Keller, premier auteur de l'article, à Phys. org. "Notre travail utilise les résultats de nombreux groupes de recherche à travers le monde, obtenus au cours des dernières décennies."
Un effort de recherche antérieur qui a inspiré cet article était l’alliage réussi de l’argent avec du séléniure de cuivre, d’indium et de gallium, démontré pour la première fois par un groupe de recherche au Japon il y a environ deux décennies. De plus, les chercheurs se sont inspirés de recherches remontant à 10 ans, qui ont démontré les effets bénéfiques de l'incorporation d'espèces alcalines lourdes dans les matériaux absorbants.
"En plus de nous appuyer sur environ 40 ans de recherche internationale sur les cellules solaires à la chalcopyrite, nous avons combiné quatre approches différentes pour améliorer les performances", a expliqué Keller. "Plus précisément, nous avons ajouté une concentration relativement élevée d'argent à l'absorbeur, mis en œuvre un profil de profondeur en Gallium de type "bâton de hockey", adapté un traitement post-dépôt de RbF à la composition de l'absorbeur et soumis l'absorbeur à un éclairage prolongé."
En combinant ces stratégies de conception et de fabrication, Keller et ses collègues pourraient améliorer la microstructure du CIGS, réduisant ainsi la densité des défauts et atténuant les fluctuations de la bande interdite. De plus, ils pourraient passiver la surface de l'absorbeur dans leur cellule solaire et augmenter la densité de dopage.
Lors des premiers tests, leur cellule solaire record CIGS a atteint une efficacité radiative externe élevée de 1,6 %, ce qui a entraîné un déficit de tension en circuit ouvert relativement faible. Notamment, l'appareil a atteint l'efficacité la plus élevée jamais rapportée parmi les cellules solaires basées sur CIGS et ses performances ont été certifiées en externe par l'institut indépendant Fraunhofer ISE (Allemagne).
« Nous avons pu augmenter l'efficacité record précédente des cellules solaires à base de CIGS de 23,35 % (Solar Frontier, 2019, Japon) à 23,64 % (certifié en externe), ce qui représente une amélioration substantielle », a déclaré Keller. "Pour la certification externe un masque d'ombre (A=0,9 cm 2 ) a dû être utilisé. Sans le masque d'ombre, nous avons même mesuré une efficacité de 23,75 % dans nos laboratoires (A=1,03 cm 2 )."
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs introduisent un processus de production prometteur permettant d’obtenir des rendements plus élevés dans les cellules solaires à base de chalcopyrite. Ces découvertes pourraient servir de base au progrès ultérieur de ces cellules solaires, contribuant potentiellement à leur déploiement à grande échelle.
Dans leur article, Keller et ses collègues décrivent un ensemble de stratégies possibles pour améliorer les performances des cellules solaires à base de chalcopyrite, dans le but d'atteindre un rendement supérieur à 25 %. La plus simple de ces stratégies consiste à atténuer les pertes d'absorption parasite, ce qui peut être obtenu de différentes manières.
"En fin de compte, la densité de défauts de la masse de l'absorbeur doit être réduite. Bien que le CIGS-PV soit plus stable que les dispositifs pérovskites actuels à efficacité record, il souffre de pertes de recombinaison non radiatives nettement plus élevées. Ainsi, les recherches futures se concentreront sur la mise en sandwich. un film de chalcopyrite encore meilleur entre des électrodes encore plus transparentes", a ajouté Keller.
"Une étude récente de l'EMPA (Suisse) a démontré un fort potentiel pour les applications bifaciales, qui nécessitent de remplacer le contact arrière Mo par une couche d'oxyde conducteur transparent."
Plus d'informations : Jan Keller et al, Alliage d'argent à haute concentration et teneur en gallium à contact arrière raide permettant une cellule solaire au séléniure de cuivre, d'indium et de gallium avec une efficacité de 23,6 %, Nature Energy (2024). DOI :10.1038/s41560-024-01472-3
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