Une équipe de chercheurs lituaniens du Centre des Sciences Physiques et de la Technologie, en collaboration avec l’Université de Technologie de Tallinn (Estonie), a entrepris la synthèse d’un nouveau matériau susceptible de compléter les technologies des cellules solaires à base de silicium et d’augmenter l’efficacité globale des modules solaires.
Face à l’augmentation des prix de l’énergie, le secteur des énergies renouvelables connaît une croissance rapide. Avec le déploiement progressif des parcs solaires, l’amélioration de l’efficacité des panneaux solaires est une étape de développement essentielle pour produire plus d’énergie à partir de la même surface.
Les meilleures technologies de cellules solaires disponibles sur les toits ne peuvent convertir qu’un quart de l’énergie solaire totale en électricité. L’efficacité des cellules solaires peut être améliorée en combinant différentes technologies pour créer un dispositif appelé cellule solaire à multi-jonctions.
La Recherche sur les Semi-conducteurs
Sur le plan théorique, un tel dispositif peut convertir près de la moitié de l’énergie solaire en électricité. Cependant, les technologies de cellules solaires à multi-jonctions sont plus complexes en termes de production, nécessitant l’adoption de nouveaux matériaux et processus tout en gardant à l’esprit les aspects de coût et de durabilité.
Les recherches de l’équipe se concentrent sur les semi-conducteurs ayant une structure chimique typique des matériaux de type pérovskite – ABX3 – mais au lieu de l’oxygène ou des halogènes, ils explorent des composés où X est le soufre/sélénium et A et B sont des métaux abondants et non toxiques.
La Découverte d’un Nouveau Matériau
En utilisant une méthode de réaction à l’état solide, les chercheurs ont synthétisé un nouveau matériau – le séléniure de zirconium étain – pour la première fois et ont découvert que l’alliage Sn(ZrxTi1-x)Se3 était le plus prometteur pour l’application photovoltaïque.
« Dans la situation géopolitique actuelle en Europe et face aux préoccupations environnementales, il est important que les nouveaux matériaux explorés et envisagés pour les applications d’énergie renouvelable soient composés d’éléments abondants et exempts de matières premières critiques », précise l’auteur principal de l’étude, le Dr Rokas Kondrotas, chef du département de caractérisation de la structure des matériaux au FTMC, en Lituanie.
Les Propriétés du Nouveau Matériau
L’équipe a découvert que l’introduction de titane, avec une concentration allant jusqu’à 44%, n’a pas modifié la structure cristalline de l’alliage Sn(ZrxTi1-x)Se3, mais a eu un effet profond sur les propriétés optiques et électriques du matériau.
Plus la concentration de titane est élevée, plus le bord d’absorption de Sn(ZrxTi1-x)Se3 se déplace vers la région du spectre infrarouge à courte longueur d’onde. Cette partie du spectre infrarouge provenant du soleil n’est pas absorbée par la cellule solaire en silicium cristallin conventionnelle et est donc perdue.
Les semi-conducteurs Sn(ZrxTi1-x)Se3 synthétisés avec une forte concentration de titane peuvent absorber la lumière infrarouge à courte longueur d’onde et la convertir en énergie supplémentaire, augmentant ainsi l’efficacité globale du dispositif à multi-jonctions à base de Si.
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En synthèse
Ce travail est la première étape du développement de nouveaux matériaux durables avec un fort potentiel pour l’application des cellules solaires à multi-jonctions dans la région infrarouge. La prochaine étape de cette technologie est la synthèse de films minces Sn(ZrxTi1-x)Se3, permettant la fabrication et le test du dispositif solaire.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une cellule solaire à multi-jonctions ?
Une cellule solaire à multi-jonctions est un dispositif qui combine différentes technologies pour améliorer l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire en électricité.
Qu’est-ce que le séléniure de zirconium étain ?
Le séléniure de zirconium étain est un nouveau matériau synthétisé par les chercheurs, qui a montré un potentiel prometteur pour l’application photovoltaïque.
Quel est l’impact de l’introduction de titane dans l’alliage Sn(ZrxTi1-x)Se3 ?
L’introduction de titane dans l’alliage Sn(ZrxTi1-x)Se3 a un effet profond sur les propriétés optiques et électriques du matériau, permettant une meilleure absorption de la lumière infrarouge à courte longueur d’onde.
Quelle est la prochaine étape de cette recherche ?
La prochaine étape de cette recherche est la synthèse de films minces Sn(ZrxTi1-x)Se3, qui permettront la fabrication et le test du dispositif solaire.
Pourquoi cette recherche est-elle importante ?
Cette recherche est importante car elle ouvre la voie au développement de nouveaux matériaux durables pour l’application des cellules solaires à multi-jonctions, avec un potentiel d’amélioration significatif de l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire en électricité.
Références
Légende illustration principale : Expériences avec le nouveau matériau. Crédit : Centre des sciences physiques et de la technologie
Rokas Kondrotas et al, Band gap engineering by cationic substitution in Sn(Zr1−xTix)Se3 alloy for bottom sub-cell application in solar cells, Journal of Materials Chemistry A (2023). DOI: 10.1039/D3TA05550G
