Rendement des cellules solaires supérieur à 30%
Un groupe de recherche avec une contribution belge franchit une étape importante
Le rendement est un facteur important pour un panneau solaire, surtout maintenant que l'efficacité énergétique est une priorité. Entre-temps, des recherches de qualité ont été menées sur cette question pendant des années, avec d'excellents résultats. Par exemple, un groupe de recherche du TNO, de TU Eindhoven, d'imec/EnergyVille et de TU Delft a récemment réussi à supprimer la barrière des 30% avec une cellule à base de pérovskite. Le Dr Tom Aernouts raconte l'histoire.
Dr Tom Aernouts: "Pourquoi un tel rendement est-il nécessaire ? Eh bien, il y a de solides arguments pour cela. Par exemple, notre mobilité évolue rapidement. Les vélos et scooters électriques sont déjà nombreux dans les rues et les voitures hybrides et électriques gagnent rapidement des parts de marché. En conséquence, l'industrie automobile, par exemple, montre un vif intérêt pour l'intégration de cellules solaires dans le toit ou d'autres parties de la voiture. Non seulement cela permet de réduire la consommation d'énergie de la batterie primaire pour l'électronique ou la climatisation de la voiture, mais un toit solaire très efficace peut également permettre d'augmenter considérablement l'autonomie. Compte tenu de la surface limitée disponible sur la voiture, l'efficacité de la conversion énergétique du panneau solaire intégré doit être maximisée."
L'accent sur les cellules tandem
"Ce type d'évolution soutient l'intérêt croissant pour les cellules tandem: il s'agit de cellules solaires fabriquées en empilant deux cellules ou plus les unes sur les autres pour obtenir un rendement supérieur à celui des technologies individuelles combinées. Étant donné que les cellules solaires dotées de photo-absorbeurs ayant une bande interdite plus large génèrent des tensions plus élevées, les pertes de chaleur dans les cellules solaires tandem sont considérablement réduites par rapport aux cellules solaires traditionnelles qui absorbent le même nombre de photons. Par conséquent, le rendement des cellules tandem est beaucoup plus élevé."
"Une exigence évidente est que le matériau de la cellule supérieure soit transparent à la lumière qu'il ne convertit pas en énergie électrique. Un coup de pouce supplémentaire est donné si chacun des matériaux du tandem est sensible à une partie différente du spectre lumineux, de sorte qu'ils ne recherchent pas le potentiel de conversion de l'autre. Le matériau qui capte les longueurs d'onde les plus courtes (par exemple, le bleu et le vert) se trouvera alors sur le dessus, tandis que le matériau du dessous convertit les longueurs d'onde plus longues (par exemple, le rouge et le proche infrarouge)."
Le prix reste un obstacle
"Les cellules solaires tandem sont déjà largement utilisées aujourd'hui pour les applications spatiales. Ces cellules solaires tandem sont très complexes et trop coûteuses pour être fabriquées à grande échelle. Pour les applications commerciales, le coût de production affecte grandement le niveau de mise en œuvre.
... mais il y a du progrès
"Actuellement, le marché du photovoltaïque est dominé par les cellules solaires en silicium cristallin. L'ajout d'un absorbeur à faible coût au-dessus du c-Si, qui permet d'obtenir une cellule solaire tandem très efficace, est une voie prometteuse pour abaisser davantage le coût de l'électricité nivelé (LCOE). Il y a quelques années encore, on manquait de cellules solaires efficaces et peu coûteuses pouvant être utilisées en tandem avec les technologies photovoltaïques existantes. Cependant, l'avènement des cellules solaires à pérovskite et leur croissance rapide ont considérablement modifié cette impasse."
A l'heure actuelle, le terme pérovskite est utilisé pour désigner toutes les liaisons dont la structure cristalline est similaire à celle du CaTiO3. Les pérovskites sont un matériau prometteur pour la fabrication de cellules tandem à haute performance. Elles peuvent être transformées en modules fins, flexibles et (semi-)transparents qui peuvent atteindre un haut rendement de conversion. Elles sont peu coûteuses à produire grâce à des matériaux peu onéreux et à un dépôt qui peut se faire à température ambiante. Cela se traduit également par un délai de récupération de l'énergie qui pourrait être jusqu'à 10 fois plus court que celui des modules Si PV industriels actuels.
\"Le haut rendement permet de réaliser plus de puissance par m² et moins de coût par kWh"
Vers 30% ... et plus encore?
"Pour les cellules à pérovskite à simple jonction, une efficacité de conversion énergétique (PCE) de plus de 25% a été précédemment rapportée. Par la suite, le tandem d'une cellule à pérovskite au-dessus d'une cellule inférieure en silicium a permis d'obtenir un rendement de 29,15%. Récemment, nous avons réussi à atteindre la barrière magique des 30%. Un rendement aussi élevé permet d'obtenir plus de puissance par m² et un coût moindre par kWh."
Densité de puissance plus élevée
"L'avantage de ce rendement croissant est clair: la densité de puissance élevée créera davantage de possibilités d'intégrer ces cellules solaires dans des éléments structurels et de construction, ce qui permettra de couvrir davantage de surfaces existantes avec des modules photovoltaïques. Franchir la barrière des 30% est donc un grand pas pour accélérer la transition énergétique et améliorer la sécurité énergétique en réduisant notre dépendance aux combustibles fossiles."
Multiples combinaisons possibles
La technologie PERC commerciale et les technologies de haute performance telles que l'hétérojonction, la technologie TOPCon ou la technologie des couches minces comme le CIGS peuvent être utilisées en tandem sans que des modifications importantes soient apportées aux cellules solaires. En outre, l'architecture à quatre terminaux facilite la mise en œuvre de tandems bifaciaux (piégeant la lumière des deux côtés), qui augmentent encore le rendement énergétique.
Des chercheurs néerlandais et belges sont parvenus à améliorer l'efficacité de cellules semi-transparentes à pérovskite pour la porter à 19,7%. "Ce type de cellule solaire possède un contact arrière très transparent qui permet à plus de 93% de la lumière proche infrarouge d'atteindre le module inférieur. Ce résultat est obtenu en optimisant d'abord toutes les couches des cellules solaires semi-transparentes à pérovskite à l'aide de simulations optiques et électriques avancées pour guider le travail expérimental en laboratoire", a déclaré le Dr Mehrdad Najafi du TNO. "Le module en silicium est une cellule solaire à hétérojonction de 20 x 20 mm2 avec une passivation de surface optimisée, des oxydes conducteurs transparents et des contacts frontaux cuivrés pour une conduction de pointe de la charge électrique", a déclaré Yifeng Zhao, doctorant à TU Delft. Le module de silicium situé optiquement sous la pérovskite apporte 10,4% de points d'efficacité à la conversion totale de l'énergie solaire. Ensemble, le rendement de conversion de ces tandems 4T "non-area matched" fonctionnant indépendamment est de 30,1%.
L'avenir des modules PV tandem 4T
Ce n'est pas tout. La combinaison de cette cellule à pérovskite hautement transparente avec d'autres technologies à base de silicium telles que les cellules à contact arrière ("Metal Wrap Through" et "Interdigitated Back Contact") et les cellules solaires TOPCon a également permis d'obtenir des valeurs d'efficacité de conversion proches de 30%. Cela prouve le potentiel de ces cellules solaires à pérovskite, flexibles et très transparentes, qui peuvent être combinées avec diverses technologies déjà commercialisées."
"Ces résultats impressionnants confirment le grand potentiel de la technologie à pérovskite pour augmenter de manière significative les performances dans une telle configuration en tandem", déclare le Dr Tom Aernouts, chef de l'équipe imo-immomec Thin-Film PV Technology, depuis leur laboratoire à EnergyVille. "Nous allons maintenant nous concentrer sur la mise à l'échelle de ce tandem à des dimensions plus grandes, qui deviendront pertinentes pour l'industrie photovoltaïque. Nous avons déjà fait la démonstration de panneaux solaires à pérovskite jusqu'à 35 x 35 cm², ainsi que de modules tandem 4T de taille comparable. Nous espérons pouvoir confirmer l'évolutivité industrielle de ces résultats dans un avenir proche."
Avec la collaboration de l'équipe imo-imomec Thin-Film PV Technology
