Nouveau record : le cap des 30% de rendement est franchi pour des cellules photovoltaïques bon marché !

Pour la première fois, des cellules photovolltaïques fabriquées par une technologie bon marché franchissent la barre des 30 % de rendement grâce aux travaux de scientifiques de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en collaboration avec le Centre Suisse d’Innovation (CSEM). Ce résultat a été homologué de manière indépendante par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis.

A travers le monde, plusieurs équipes de chercheurs s’attellent à la mise au point de technologies photovoltaïques de plus en plus efficaces. En permettant la conversion en électricité d’une plus grande quantité de l’énergie solaire incidente qui frappe un panneau, ils ouvrent ainsi la voie à la production d’énergie verte de moins en moins chère. Notre site vous informe d’ailleurs régulièrement de la course aux records que ces équipes se livrent.

L’augmentation du rendement des cellules photovoltaïques est importante pour deux raisons. Elle constitue d’abord le meilleur moyen de réduire les coûts de l’électricité solaire. En outre, elle favorise l’adoption du photovoltaïque lorsque les surfaces disponibles sont limitées ; c’est notamment le cas des toitures, des façades et des véhicules.

De record en record

Il y a deux mois seulement, nous vous avions révélé le résultat obtenu par des scientifiques allemands de l’Institut Fraunhofer pour l’énergie solaire (Fraunhofer ISE) : 47,6 % de rendement pour une cellule photovoltaïque tandem à quatre jonctions. Toutefois, il s’agit là d’une technologie onéreuse qui peut être utile dans des applications particulières comme le domaine aéronautique ou spatial par exemple, mais qui ne pourra vraisemblablement pas être développée en masse dans le cadre de la transition énergétique.

L’annonce récente faite en Suisse par les chercheurs de l’EPFL et du CSEM suscite plus d’espoir puisque pour la première fois ils ont franchi la barre des 30% d’efficacité avec une technologie peu coûteuse : une cellule photovoltaïque en tandem pérovskite-silicium.

Le rendement des cellules photovoltaïques est physiquement limité par leurs matériaux constitutifs. Les scientifiques peuvent ainsi déterminer par calcul l’efficacité maximum de de chaque technologie. Les plus répandues à ce jour utilisent le silicium, sous forme amorphe ou cristalline. Malgré son succès, ce matériau affiche une limite de rendement théorique d’environ 29 %. Les niveaux atteints par les meilleures cellules de laboratoire aujourd’hui sont légèrement en deçà de 27 %, ce qui laisse très peu de marge de progression pour l’avenir.

Une autre piste

C’est pourquoi les chercheurs explorent une autre piste en associant au silicium une deuxième cellule qui absorbe les radiations bleues et vertes du spectre solaire pour l’exploiter de manière plus efficace. Ces deux cellules forment ainsi un « tandem ». Parmi les différents matériaux utilisables pour la deuxième couche, les pérovskites à base d’halogénure se sont révélées être la meilleure alternative possible afin de booster l’efficacité du silicium sans générer de frais de fabrication supplémentaires trop importants.

A l’origine la pérovskite est un cristal composé de calcium, de titane et d’oxygène. Toutefois le terme a aujourd’hui une acception plus large pour désigner d’autres composés métalliques dont la structure cristalline est identique. En 2012, des scientifiques se sont aperçus que certaines pérovskites présentaient des propriétés qui pourraient doper le rendement des cellules photovoltaïques : elles permettent une mobilité élevée des charges électriques, sont 500 fois plus fines que le silicium, et offrent un taux élevé de conversion de l’énergie solaire. Et surtout, les pérovskites sont bon marché !

Amélioration du rendement des cellules tandem

Les équipes de l’EPFL et du CSEM ont réussi à augmenter le rendement de deux types de tandems pérovskite-silicium. Ils ont adapté les matériaux et les techniques de fabrication afin de déposer des couches de pérovskite de haute qualité sur des cellules en silicium lisses. Ils ont ainsi obtenu un rendement de conversion de 30,93 % pour une cellule de 1 cm². Ensuite, en utilisant un procédé hybride de déposition de la pérovskite sur des surfaces du silicium laissées intentionnellement rugueuses (pour réduire au minimum la réflexion de la lumière), ils ont réalisé une cellule (de 1 cm² également) qui atteint une efficacité de 31,25 %. Ces résultats constituent deux nouveaux records du monde : l’un pour l’architecture lisse et l’autre pour la rugueuse.

La deuxième technique fournit un courant plus élevé et est compatible avec la structure des cellules photovoltaïques en silicium utilisées actuellement dans l’industrie. Le précédent record de conversion de rendement pour des cellules solaires de ce type avait été établi en 2021 par une équipe du Centre Helmholtz de Berlin (HZB), laquelle avait atteint 29,8 %.

Reproduire ces résultats sur des surfaces plus grandes

Les nouveaux records de l’EPFL et du CSEM ont été homologués aux États-Unis de manière indépendante par le National Renewable Energy Laboratory (NREL).

« La recherche doit désormais aller plus loin, afin de reproduire ces résultats sur des surfaces plus grandes et de s’assurer que ces nouvelles cellules peuvent maintenir une production d’électricité stable sur nos toitures et ailleurs pendant une durée de vie standard », fait remarquer Quentin Jeangros du CSEM.