Rendement record pour des cellules solaires à triple jonction

Des scientifiques du Laboratoire de photovoltaïque et couches minces (PV-Lab) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL, en collaboration avec le CSEM, ont mis au point une nouvelle cellule solaire qui allie une tension exceptionnelle, un rendement élevé et un potentiel de fabrication à grande échelle. Ce dispositif à triple jonction se compose d’une cellule inférieure en silicium, sur laquelle sont déposées, sous forme de couches minces, des cellules intermédiaire et supérieure constituées de semi-conducteurs appelés pérovskites. Selon l’étude publiée dans Nature, cette cellule atteint un rendement certifié indépendant de 30,02%, dépassant le précédent record certifié de 27,1%.

Kerem Artuk, premier auteur de l’étude, diplômé de l’EPFL et aujourd’hui au CSEM, met en lumière une avancée majeure: des matériaux de pointe et l’ingénierie optique permettent d’atteindre des niveaux de rendement et de tension comparables à ceux des cellules solaires utilisées dans le spatial – et tout ceci à moindre coût. «Grâce à une conception et des procédés ingénieux, nous démontrons qu’il est possible de s’approcher des performances jusqu’ici réservées aux cellules solaires multi-jonctions III-V, les plus coûteuses, principalement utilisées dans le domaine spatial. Composées de multiples couches de semi-conducteurs, ces dernières peuvent atteindre jusqu’à 37% de rendement, mais coûtent environ 1000 fois plus cher par watt que les cellules terrestres. Notre approche ouvre la voie à une nouvelle génération de photovoltaïque multi-jonction à haut rendement, compatible avec une production industrielle.»

«Notre première démonstration en 2018 n’atteignait que 13% de rendement. Dépasser aujourd’hui les 30% avec un dispositif à triple jonction constitue donc une avancée remarquable», ajoute Christophe Ballif, directeur du PV-Lab. «Les cellules solaires à triple jonction présentent un potentiel de rendement supérieur à celui des cellules simples ou tandem – bien au-delà de 40%.»

Une architecture qui repousse les limites

L’équipe s’est attaquée à deux limitations majeures des cellules à triple jonction: la faible tension de la cellule supérieure en pérovskite et la faible génération de courant dans la cellule intermédiaire. Ces défis ont été relevés grâce à trois innovations clés dans la conception des matériaux et l’architecture optique du dispositif.

Premièrement, les scientifiques ont ajouté une molécule qui guide la formation des cristaux de pérovskite et élimine les défauts, permettant à la cellule supérieure de générer une tension plus élevée (1,4 V) sous l’effet de la lumière du soleil. 

Deuxièmement, ils ont développé une nouvelle méthode de fabrication en trois étapes pour la cellule intermédiaire, améliorant l’absorption de la lumière dans la partie proche infrarouge du spectre solaire. Enfin, des nanoparticules ont été intégrées entre la cellule inférieure en silicium et la cellule intermédiaire en pérovskite afin de réfléchir davantage de lumière vers cette dernière, augmentant ainsi le courant généré.

Vers une énergie solaire performante et accessible

Les matériaux utilisés par l’équipe de l’EPFL et du CSEM, les pérovskites et le silicium, sont moins coûteux à produire que les semi-conducteurs III-V qui équipent les cellules solaires les plus performantes, principalement destinées aux satellites en raison de leur prix élevé. Atteindre de tels niveaux de rendement à moindre coût pourrait favoriser le déploiement de technologies solaires de nouvelle génération, que ce soit à grande échelle comme dans le résidentiel, ou dans le spatial.

Christian Wolff, collaborateur scientifique et responsable d’équipe à l’EPFL, indique que les travaux se poursuivront, notamment sur les stratégies de passage à l’échelle avec le CSEM. L’équipe réalisera également des tests de durabilité et explorera le potentiel d’intégration de cette technologie dans de futurs produits commerciaux. «Ce projet illustre la force de la combinaison entre recherche fondamentale et savoir-faire suisse en ingénierie», souligne-t-il. «En montrant que des matériaux à base de pérovskite, peu coûteux, peuvent rivaliser avec les performances des technologies photovoltaïques spatiales les plus avancées, cette recherche établit une nouvelle référence pour le photovoltaïque multi-jonction.»