La technologie photovoltaïque à couches minces allie efficacité et polyvalence

Newswise — L’empilement des cellules solaires augmente leur efficacité. En collaboration avec des partenaires du projet PERCISTAND financé par l’UE, des chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont produit des cellules solaires en tandem pérovskite/CIS avec une efficacité de près de 25 % – la valeur la plus élevée obtenue à ce jour avec cette technologie. De plus, cette combinaison de matériaux est légère et polyvalente, ce qui permet d’envisager l’utilisation de ces cellules solaires tandem dans des véhicules, des équipements portables et des appareils pliables ou enroulables. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la revue ACS Energy Letters (DOI : 10.1021/acsenergylett.2c00707)

Les cellules solaires à pérovskite ont fait des progrès étonnants au cours de la dernière décennie. Leur efficacité est maintenant comparable à celle des cellules solaires au silicium établies de longue date. Les pérovskites sont des matériaux innovants avec une structure cristalline spéciale. Des chercheurs du monde entier s’efforcent de préparer la technologie photovoltaïque à la pérovskite pour des applications pratiques. Plus elles produisent d’électricité par unité de surface, plus les cellules solaires sont attractives pour les consommateurs.

L’efficacité des cellules solaires peut être augmentée en empilant deux cellules ou plus. Si chacune des cellules solaires empilées est particulièrement efficace pour absorber la lumière d’une partie différente du spectre solaire, les pertes inhérentes peuvent être réduites et l’efficacité augmentée. L’efficacité est une mesure de la quantité de lumière incidente convertie en électricité. Grâce à leur polyvalence, les cellules solaires en pérovskite constituent des composants exceptionnels pour de tels tandems. Les cellules solaires en tandem utilisant des pérovskites et du silicium ont atteint un niveau d’efficacité record de plus de 29 %, nettement supérieur à celui des cellules individuelles en pérovskite (25,7 %) ou en silicium (26,7 %).

Combiner les pérovskites avec le CIS pour la mobilité et la flexibilité

La combinaison de pérovskites avec d’autres matériaux tels que le diséléniure de cuivre-indium (CIS) ou le diséléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) promet d’autres avantages. De telles combinaisons permettront de produire des cellules solaires tandem légères et flexibles pouvant être installées non seulement sur des bâtiments mais également sur des véhicules et des équipements portables. De telles cellules solaires pourraient même être pliées ou enroulées pour le stockage et étendues si nécessaire, par exemple sur des stores ou des auvents pour fournir de l’ombre et produire de l’électricité en même temps.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Dr. Marco A. Ruiz-Preciado et le professeur titulaire Ulrich W. Paetzold du Light Technology Institute (LTI) et de l’Institut de technologie des microstructures (IMT) du KIT ont réussi à produire des cellules solaires tandem pérovskite/CIS avec une efficacité maximale de 24,9 pour cent (23,5 pour cent certifiés). “Il s’agit du rendement le plus élevé signalé pour cette technologie et du premier niveau de rendement élevé atteint avec une cellule solaire au diséléniure de cuivre et d’indium presque sans gallium en tandem”, déclare Ruiz-Preciado. La réduction de la quantité de gallium entraîne une bande interdite étroite d’environ un électron volt (eV), ce qui est très proche de la valeur idéale de 0,96 eV pour la cellule solaire inférieure en tandem.

Cellules solaires CIS à bande interdite étroite – Cellules solaires à pérovskite à faible teneur en brome

La bande interdite est une caractéristique matérielle qui détermine la partie du spectre solaire qu’une cellule solaire peut absorber pour produire de l’électricité. Dans une cellule solaire tandem monolithique, les bandes interdites doivent être telles que les deux cellules peuvent produire des courants similaires pour atteindre une efficacité maximale. Si la bande interdite de la cellule inférieure change, la bande interdite de la cellule supérieure doit être ajustée au changement, et vice versa.

Pour ajuster la bande interdite pour une intégration en tandem efficace, des pérovskites à haute teneur en brome sont généralement utilisées. Cependant, cela conduit souvent à des chutes de tension et à une instabilité de phase. Étant donné que les chercheurs du KIT et leurs partenaires utilisent des cellules solaires CIS avec une bande interdite étroite à la base de leurs tandems, ils peuvent produire leurs cellules supérieures en utilisant des pérovskites à faible teneur en brome, ce qui se traduit par des cellules plus stables et plus efficaces.

“Notre étude démontre le potentiel des cellules solaires tandem pérovskite/CIS et établit les bases d’un développement futur visant à améliorer encore leur efficacité”, déclare Paetzold. “Nous avons atteint cette étape grâce à la coopération exceptionnelle dans le cadre du projet PERCISTAND de l’UE et, en particulier, grâce à notre étroite coopération avec l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique appliquée.” Un important travail de fond a été effectué dans le cadre du projet CAPITANO financé par le ministère fédéral allemand des affaires économiques et de l’action pour le climat (BMWK).

À propos de PERCISTAND

Dans le projet PERCISTAND financé par l’UE, des chercheurs du milieu universitaire et de l’industrie développent des matériaux et des procédés innovants pour le photovoltaïque en tandem en utilisant des pérovskites sur des chalcogénures comme le CIS. L’objectif du projet est de tester des cellules solaires en tandem à quatre bornes et des prototypes de modules sur des substrats de verre. L’objectif de PERCISTAND est d’améliorer l’efficacité, la stabilité et la fabricabilité à grande échelle des matériaux photovoltaïques à couches minces afin qu’ils puissent concurrencer les technologies photovoltaïques déjà disponibles.

À propos de CAPITANO

Dans le cadre du projet conjoint CAPITANO, financé par BMWK, KIT et le Centre de recherche sur l’énergie solaire et l’hydrogène du Bade-Wurtemberg développent des matériaux et des procédés innovants pour le photovoltaïque en tandem pérovskite/CIGS. Les résultats du projet contribueront à renforcer davantage l’innovation dans le cluster technologique en Allemagne et dans l’UE.

Publication originale (accès libre) :

Marco A. Ruiz-Preciado, Fabrizio Gota, Paul Fassl, Ihteaz M. Hossain, Roja Singh, Felix Laufer, Fabian Schackmar, Thomas Feeney, Ahmed Farag, Isabel Allegro, Hang Hu, Saba Gharibzadeh, Bahram Abdollahi Nejand, Véronique S., Marcel Simor, Pieter J. Bolt et Ulrich W. Paetzold : Cellules solaires tandem pérovskite/CIS monolithiques à deux bornes avec une efficacité proche de 25 %. ACS Energy Letters, 2022. DOI : 10.1021/acsenergylett.2c00707

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c00707

Informations sur le projet PERCISTAND de l’UE : https://percistand.eu/fr

En savoir plus sur le KIT Energy Center : https://www.energie.kit.edu

Étant “l’université de recherche de l’association Helmholtz”, le KIT crée et transmet des connaissances pour la société et l’environnement. L’objectif est d’apporter des contributions significatives aux défis mondiaux dans les domaines de l’énergie, de la mobilité et de l’information. Pour cela, environ 9 800 collaborateurs coopèrent dans un large éventail de disciplines en sciences naturelles, sciences de l’ingénieur, économie, sciences humaines et sociales. Le KIT prépare ses 22 300 étudiants à des tâches responsables dans la société, l’industrie et la science en proposant des programmes d’études basés sur la recherche. Les efforts d’innovation du KIT jettent un pont entre les découvertes scientifiques importantes et leur application au profit de la société, de la prospérité économique et de la préservation de notre base naturelle de vie. KIT est l’une des universités allemandes d’excellence.

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