Silicium + pérovskite : l’équation gagnante pour l’énergie solaire de demain ?

Bien que les cellules solaires conventionnelles au silicium aient eu un impact indéniable sur le développement des énergies renouvelables dans le monde, il est devenu de plus en plus difficile d’améliorer leurs performances, ces dispositifs approchant de leurs limites d’efficacité pratique.

Cette contrainte a poussé les scientifiques à rechercher de nouvelles technologies pouvant être combinées aux cellules au silicium pour débloquer des rendements plus élevés.

Les cellules solaires fabriquées avec des cristaux appelés pérovskites constituent l’une de ces technologies qui ont rapidement émergé comme une solution d’appoint attrayante à faible coût. Mais les cellules aux pérovskites sont défavorablement connues pour leur sensibilité aux changements induits par la tension : l’ombre projetée par une branche d’arbre ou une plante à proximité peut mettre hors service tout un module en quelques minutes.

Des chercheurs de l’université de Princeton et du KAUST ont réussi à connecter la cellule solaire au silicium reliée à la pérovskite dans une cellule solaire tandem pour non seulement augmenter le rendement global, mais aussi renforcer la stabilité.

Les résultats, publiés dans Joule, illustrent que l’association protège la fragile cellule solaire en pérovskite de la dégradation induite par la tension, tout en atteignant de meilleurs rendements que chaque cellule ne peut atteindre seule.

« Les cellules solaires tandem ont déjà démontré des rendements de conversion d’énergie supérieurs à ceux des cellules solaires au silicium ou aux pérovskites seules », a déclaré Barry Rand, chef de recherche et professeur de génie électrique et informatique au Princeton. « Nous pensions qu’en plus de leurs rendements plus élevés, les cellules solaires tandem pourraient également résoudre certains des problèmes de stabilité auxquels sont confrontées les pérovskites en les associant à des cellules au silicium, qui sont beaucoup plus stables. »

Une association qui renforce la stabilité

Pour tester leur hypothèse, les chercheurs ont construit trois chaînes de cellules solaires : l’une ne contenant que des cellules solaires au silicium, l’autre uniquement des pérovskites, et la troisième composée de cellules solaires tandem, les deux technologies étant connectées en série. Les chercheurs ont ensuite ombragé l’une des cellules de la chaîne pour simuler les conditions d’ombrage partiel qu’un réseau solaire peut rencontrer au moins une fois au cours de ses décennies de durée de vie.

Un tel ombrage partiel est généralement fatal pour les pérovskites, car les cellules encore éclairées forcent le passage de la charge à travers la cellule maintenant ombragée et inactive, dégradant rapidement celle-ci et l’ensemble du module. Les cellules solaires au silicium, en revanche, sont beaucoup plus résistantes aux fluctuations de tension, et peuvent supporter des périodes d’ombrage partiel avec moins de problèmes.

Comme prévu, le module solaire ne contenant que des pérovskites s’est rapidement détérioré après un ombrage partiel, tandis que le module solaire au silicium n’a été que minimalement impacté. Fait intéressant, cependant, le module solaire tandem était aussi résistant que le module ne contenant que du silicium, ce qui implique qu’en reliant les deux technologies solaires, la cellule au silicium a pu masquer la fragilité de la pérovskite.

« Lorsque vous combinez deux matériaux différents pour former un produit final, c’est généralement le maillon le plus faible qui finit par déterminer la résistance globale de la chaîne », a déclaré le co-auteur Stefaan De Wolf, professeur de science des matériaux à KAUST. « Mais dans ce cas, c’est en fait le composant le plus solide qui a protégé le plus faible. »

L’équipe a également indiqué que les résultats sont de bon augure pour les perspectives de commercialisation des pérovskites, car ils impliquent que les pérovskites ont le plus de potentiel lorsqu’elles sont déployées en complément des cellules solaires au silicium, pour lesquelles il existe déjà un écosystème de fabrication mature. Au lieu de devoir construire un processus de fabrication concurrent, les pérovskites pourraient être ajoutées au processus de production commercialement éprouvé pour les cellules solaires au silicium.

Bien que l’équipe ait noté que plusieurs défis en plus de l’ombrage partiel restent à résoudre avant que les cellules solaires tandem n’atteignent la durée de vie attendue des technologies solaires commerciales, comme leur faible résistance à la chaleur, elle a déclaré que les dispositifs tandem pourraient permettre à la recherche solaire de continuer à évoluer après que les cellules solaires au silicium aient atteint leurs limites supérieures de rendement de conversion d’énergie.

« Si certains autres défis de stabilité peuvent être résolus, les cellules solaires tandem pourraient essentiellement prendre une technologie commerciale déjà couronnée de succès et la rendre encore meilleure », a déclaré Rand. « Nos résultats plaident fortement pour que les dispositifs tandem deviennent un domaine prioritaire pour les futures recherches solaires. »

En synthèse

L’association de cellules solaires au silicium et aux pérovskites en tandem permet d’obtenir des panneaux photovoltaïques plus performants et plus stables. Le silicium protège la pérovskite fragile des dégradations dues aux ombrages partiels. Cette combinaison ouvre des perspectives prometteuses pour dépasser les limites d’efficacité du silicium seul. Des défis restent à relever, mais cette approche tandem pourrait faire progresser significativement la recherche photovoltaïque.

Pour une meilleure compréhension

Pourquoi associer silicium et pérovskite ?

Le silicium approche de ses limites d’efficacité. La pérovskite émergente permet d’obtenir des rendements plus élevés, mais reste fragile. Leur association combine leurs avantages respectifs.

En quoi le silicium protège-t-il la pérovskite ?

La pérovskite se dégrade sous l’effet des ombrages partiels. Le silicium résiste mieux et masque cette fragilité dans l’association tandem.

Quels sont les défis à relever ?

La faible résistance à la chaleur, l’optimisation des connexions, l’industrialisation du tandem, etc.

Quels sont les avantages du tandem ?

Meilleur rendement, plus grande stabilité, potentiel pour dépasser les limites du silicium.

Légende illustration principale : Des chercheurs ont réuni deux technologies solaires pour en améliorer l’efficacité et la stabilité. (Illustration de Bumper DeJesus)

Article : « Reverse-bias resilience of monolithic perovskite/silicon tandem solar cells » – L’article, intitulé « Reverse-bias resilience of monolithic perovskite/silicon tandem solar cells », a été publié le 5 septembre dans Joule. Outre Rand et De Wolf, les coauteurs sont Zhaojian Xu de Princeton, Helen Bristow, Maxime Babics, Badri Vishal, Erkan Aydin, Randi Azmi, Esma Ugur, Bumin Yildirim et Jiang Liu du KAUST Solar Center, et Ross Kerner du National Renewable Energy Laboratory (NREL).