Des composants durables pour les panneaux solaires en couches minces

Les panneaux solaires à couche mince commercialisés sur le marché sont constitués d’éléments de terres rares comme l’indium et le gallium, ou de métaux hautement toxiques comme le cadmium. Ces deux types de panneaux solaires à couche mince ont leurs propres problèmes, comme leur coût élevé et les problèmes d’utilisation dans les lieux de vie.

Une équipe de scientifiques de la DGIST, dirigée par le Dr Jin-Kyu Kang et le Dr Dae-Hwan Kim, a fait des expériences avec des panneaux solaires fabriqués à partir d’éléments moins chers et plus abondants. Ils ont maintenant publié les résultats de leur dernière étude dans Advanced Energy Materials. Le Dr Kang explique les raisons pour lesquelles ils ont choisi leurs matériaux pour cette étude : « Les cellules solaires à couche mince utilisant le bronze (Cu-Sn) et le laiton (Cu-Zn) comme matériaux de base sont composées de matériaux non toxiques et abondants en terre, et ont été étudiées dans le monde entier en raison de leur faible coût, de leur grande durabilité et de leur caractère durable« .

Cependant, l’utilisation de ces alliages dans la technologie des couches minces présente ses propres inconvénients. Si l’efficacité théorique de ces panneaux correspond à celle des produits haut de gamme du marché, dans la pratique, ils ont tendance à être très peu performants. Cela est dû à la formation de divers défauts dans les matériaux, tels que le défaut « ponctuel« , le défaut « de surface » et le défaut « de volume« , pendant le « recuit » (ou le processus de chauffage et de refroidissement pour fabriquer un film CZTSSe). Ces défauts sapent le flux de courant, ce qui entraîne une perte de l’électricité produite.

C’est pourquoi les scientifiques ont voulu trouver un moyen de synthétiser des films minces de CZTSSe (cuivre, zinc, étain, soufre et sélénium) de la meilleure qualité possible. Ils ont joué avec le profil de recuit, qui a un effet important sur la taille des grains des couches minces de CZTSSe : plus le temps de recuit est long et la température de recuit élevée, plus les grains sont gros et moins la perte d’électricité est importante.

Cependant, plus la température et la durée du recuit augmentent, plus les propriétés du film mince de CZTSSe se modifient en raison de la décomposition. Pour contourner ce problème, l’équipe a utilisé une « méthode assistée par liquide » spéciale, qui a permis aux grains de CZTSSe de croître plus rapidement. Cela signifie que les grains pouvaient grossir même à basse température, empêchant ainsi la modification des propriétés de la couche mince de CZTSSe.

Grâce à cette nouvelle observation, un obstacle important a été surmonté dans la recherche d’une énergie solaire peu coûteuse et respectueuse de l’environnement. Le Dr Kim conclut : « Notre technologie a des applications diverses, notamment dans les appareils électroniques, les biens ménagers, les bâtiments et les véhicules. La meilleure chose est que les cellules solaires CZTS ne présentent pas les inconvénients actuels des métaux toxiques et rares. Nous pouvons les installer partout où nous voulons« .

Reference

Authors: Se-Yun Kim1, Dae-Ho Son1,2, Seung-Hyun Kim1, Young-Ill Kim1, Sammi Kim1, Kwangseok Ahn1, Kee-Jeong Yang1,2, Jin-Kyu Kang1,2 and Dae-Hwan Kim1,2

Title of original paper: Effect of Cu-Sn-Se Liquid Phase on Grain Growth and Efficiency of CZTSSe Solar Cells

Journal: Advanced Energy Materials