Dans le domaine des technologies photovoltaïques, Les cellules solaires à base de silicium représentent 90 pour cent du marché. En termes de coût, stabilité et efficacité (20-22% pour une cellule solaire typique sur le marché), ils sont bien en avance sur la concurrence.

Cependant, après des décennies de recherche et d'investissement, les cellules solaires à base de silicium sont désormais proches de leur efficacité théorique maximale. Par conséquent, de nouveaux concepts sont nécessaires pour parvenir à une réduction à long terme des prix de l'électricité solaire et permettre à la technologie photovoltaïque de devenir un moyen de production d'électricité plus largement adopté.

Une solution consiste à placer deux types différents de cellules solaires l'une sur l'autre pour maximiser la conversion des rayons lumineux en énergie électrique. Ces cellules "à double jonction" font l'objet de nombreuses recherches dans la communauté scientifique, mais sont chers à faire. Maintenant, des équipes de recherche neuchâteloises, du Laboratoire Photovoltaïque de l'EPFL et du CSEM PV-center, ont développé une solution économiquement compétitive. Ils ont intégré une cellule pérovskite directement au-dessus d'une cellule standard à base de silicium, obtenant une efficacité record de 25,2 pour cent. Leur méthode de production est prometteuse, car cela n'ajouterait que quelques étapes supplémentaires au processus actuel de production de cellules en silicium, et le coût serait raisonnable. Leurs recherches ont été publiées dans Matériaux naturels .

Pérovskite-sur-silicium :un sandwich nanométrique

Les propriétés uniques de la pérovskite ont suscité de nombreuses recherches sur son utilisation dans les cellules solaires au cours des dernières années. En neuf ans, l'efficacité de ces cellules a été multipliée par six. La pérovskite permet d'atteindre une efficacité de conversion élevée à un coût de production potentiellement limité.

Dans les cellules tandem, la pérovskite complète le silicium. Il convertit la lumière bleue et verte plus efficacement, tandis que le silicium est meilleur pour convertir la lumière rouge et infrarouge. "En combinant les deux matériaux, nous pouvons maximiser l'utilisation du spectre solaire et augmenter la quantité d'énergie produite. Les calculs et les travaux que nous avons effectués montrent qu'un rendement de 30 % devrait bientôt être possible, " déclarent les principaux auteurs de l'étude Florent Sahli et Jérémie Werner.

Cependant, créer une structure tandem efficace en superposant les deux matériaux n'est pas une tâche facile. "La surface du silicium est constituée d'une série de pyramides mesurant environ 5 microns, qui piègent la lumière et l'empêchent d'être réfléchie. Cependant, la texture de surface rend difficile le dépôt d'un film homogène de pérovskite, " explique Quentin Jeangros, qui a co-écrit le document.

Lorsque la pérovskite est déposée sous forme liquide, comme d'habitude, il s'accumule dans les vallées entre les pyramides tout en laissant les pics découverts, conduisant à des courts-circuits.

Une couche clé assurant une microstructure optimale

Les scientifiques de l'EPFL et du CSEM ont contourné ce problème en utilisant des méthodes d'évaporation pour former une couche de base inorganique qui recouvre entièrement les pyramides. Cette couche est poreuse, lui permettant de retenir la solution organique liquide qui est ensuite ajoutée par une technique de dépôt en couche mince appelée spin-coating. Les chercheurs chauffent ensuite le substrat à une température relativement basse de 150°C pour cristalliser un film homogène de pérovskite au sommet des pyramides de silicium.

"Jusqu'à maintenant, l'approche standard pour réaliser une cellule tandem pérovskite/silicium était de niveler les pyramides de la cellule silicium, ce qui diminuait ses propriétés optiques et donc ses performances, avant de déposer la cellule de pérovskite dessus. Il a également ajouté des étapes au processus de fabrication, ", explique Florent Sahli.

Mise à jour des technologies existantes

Le nouveau type de cellule tandem est hautement efficace et directement compatible avec les technologies à base de silicium monocristallin, qui bénéficient d'une expertise industrielle de longue date et sont déjà produites de manière rentable. "Nous proposons d'utiliser des équipements déjà en service, en ajoutant juste quelques étapes spécifiques. Les fabricants n'adopteront pas une toute nouvelle technologie solaire, mais simplement en mettant à jour les lignes de production qu'ils utilisent déjà pour les cellules à base de silicium, " explique Christophe Ballif, responsable du Laboratoire Photovoltaïque de l'EPFL et du Centre PV du CSEM.

À l'heure actuelle, les recherches se poursuivent afin d'augmenter encore l'efficacité et de donner au film de pérovskite une plus grande stabilité à long terme. Bien que l'équipe ait fait une percée, il y a encore du travail à faire avant que leur technologie puisse être adoptée commercialement.