Nouvelle avancée vers des cellules solaires plus efficaces et moins chères

Alors que l'importance de l'énergie verte devient évidente dans le cadre de la lutte contre le changement climatique, une percée dans la technologie des cellules solaires peut nous rapprocher encore davantage de la réalisation des objectifs mondiaux en matière d'énergie renouvelable. Selon une étude récente, les cellules solaires ont franchi le seuil crucial des 30 % d'efficacité énergétique, largement considéré comme le maximum théorique en termes d'efficacité pour les cellules solaires à base de silicium.

Dépasser la barrière énergétique cruciale

De nombreux groupes différents ont travaillé sur divers moyens d'améliorer l'efficacité des cellules solaires", explique Santhana Eswara, chercheur au sein du département "Materials Research and Technology" (MRT) du LIST. Avec Saba Tabean, candidate au doctorat, le duo fait partie des auteurs de l'article "Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells", publié dans le journal Science.

Les cellules solaires au silicium couramment utilisées pour la production d'électricité solaire sont limitées en termes d'efficacité, c'est-à-dire la quantité de lumière solaire qui atteint une cellule solaire et qui est convertie en électricité. Les records actuels d'efficacité des cellules solaires au silicium sont d'environ 24,5 % pour les cellules commerciales et de 27 % en laboratoire. Ces chiffres sont considérés comme proches du maximum théorique de 29 % pour ces cellules. Les scientifiques et les chercheurs du monde entier s'efforcent d'améliorer ce rendement et de développer des matériaux innovants tels que le CIGS (séléniure de cuivre, d'indium et de gallium) et les pérovskites comme alternatives potentielles au silicium. L'article de recherche susmentionné a démontré, par exemple, un rendement de 31,25 % en empilant des cellules en silicium et en pérovskite dans des structures en tandem.  

"Il y a eu quelques défis, bien sûr", poursuit Santhana Eswara. L'un d'entre eux était lié à la perte de performance due aux effets parasites, explique-t-il. Lorsque les électrons et les trous - les deux types de porteurs de charge responsables de la création du courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs - se recombinent ou sont piégés par des défauts interfaciaux dans les matériaux, l'énergie destinée à alimenter un dispositif, par exemple, est perdue en cours de route, ce qui entraîne une réduction de l'efficacité.

Pour résoudre ce problème, une passivation efficace devient cruciale, explique le chercheur. La passivation consiste à adapter la structure et la chimie des interfaces et des surfaces de manière à minimiser la perte d'énergie et à utiliser efficacement un maximum d'énergie générée.

Une collaboration LIST-EPFL

Les chercheurs du LIST ont joué un rôle crucial dans la caractérisation de la distribution chimique à la surface des cellules solaires tandem, en aidant les partenaires de recherche de l'EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne). Santhana Eswara précise : "Le LIST collabore avec l'EPFL sur ce sujet depuis un certain nombre d'années. Alors que les travaux de l'EPFL se concentrent sur la synthèse des matériaux, nous avons apporté notre contribution en fournissant des outils avancés pour l'imagerie chimique à l'échelle nanométrique". Ces outils permettent aux chercheurs d'examiner la distribution des matériaux de passivation sur les surfaces des cellules tandem. En fournissant des preuves visuelles et une caractérisation, le LIST a aidé les chercheurs de l'EPFL à améliorer les performances des cellules solaires.

Le partenariat de recherche s'inscrit dans le cadre de deux projets, NACHOS (Novel NAnostructured passivating Contacts for High efficiency crystalline silicOn Solar cells) et PACE (Photovoltaics : Advanced Concepts for High Efficiency). Le premier projet est le fruit d'une collaboration entre le LIST et l'EPFL et a été cofinancé par le FNR (Fonds national de la recherche, Luxembourg) et le FNS (Fonds national suisse de la recherche scientifique), tandis que le second est financé par le FNR PRIDE.

Le chercheur est enthousiaste quant aux résultats : "Il s'agit bien sûr d'une avancée majeure pour franchir la barrière des 30 % d'efficacité." Damien Lenoble, directeur du département MRT, ajoute : "De tels résultats et des approches de caractérisation avancées ouvriront également la voie à la recherche et au développement d'autres cellules solaires en pérovskite débarrassées de matériaux toxiques tels que le Pb, et d'autres systèmes d'énergie solaire tels que les dispositifs de conversion du solaire en H2 développés dans le cadre du LIST-MRT."

Malgré cette étape importante, la dégradation des cellules tandem au fil du temps dans des conditions réelles reste un défi à relever, ajoute-t-il. La stabilité à long terme de ces cellules est essentielle pour leur viabilité en tant que solution énergétique pratique et durable. À l'avenir, il s'agira donc d'assurer la longévité et la rentabilité de ces cellules solaires. Bien qu'il existe des cellules solaires à jonction multiple (cellules composées de différents matériaux semi-conducteurs) avec des rendements encore plus élevés (jusqu'à 47 %), elles sont coûteuses à produire et conviennent principalement à des applications spécifiques, telles que les satellites spatiaux ou les scénarios de concentration de la lumière du soleil. Alors que l'industrie solaire s'efforce d'atteindre une plus grande efficacité, les experts estiment que les limites pratiques de l'efficacité sont probablement bien au-delà de 35 %, et qu'un financement continu de la recherche et du développement sera essentiel pour répondre à la demande croissante d'énergie solaire.