Alors que les cellules solaires conventionnelles à base de silicium ont eu un impact indéniable sur la création de ressources énergétiques renouvelables dans le monde, des améliorations supplémentaires des performances sont devenues de plus en plus difficiles à réaliser à mesure que les dispositifs approchent de leurs limites d’efficacité pratiques. Cette contrainte a incité les scientifiques à rechercher de nouvelles technologies pouvant être combinées avec des cellules en silicium pour obtenir des rendements plus élevés.
Les cellules solaires fabriquées avec des cristaux appelés pérovskites sont l’une de ces technologies qui sont rapidement apparues comme un complément attrayant et peu coûteux, mais les cellules pérovskites sont notoirement sensibles aux changements induits par la tension – l’ombre projetée par une branche d’arbre en surplomb ou une plante à proximité peut zapper un module entier en quelques minutes.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de Princeton et de l’Université des sciences et technologies King Abdullah (KAUST) ont connecté la cellule solaire au silicium bien établie avec la pérovskite en plein essor dans une cellule solaire en tandem pour non seulement augmenter l’efficacité globale, mais aussi pour renforcer la stabilité. Les résultats, rapportés dans Joule le 5 septembre, illustrent que la connexion protège la fragile cellule solaire à pérovskite des claquages induits par la tension tout en atteignant des rendements supérieurs à ceux que l’une ou l’autre cellule peut atteindre seule.
« Les cellules solaires en tandem ont déjà démontré des efficacités de conversion d’énergie supérieures à celles des cellules solaires au silicium ou à la pérovskite seules », a déclaré Barry Rand, directeur de recherche et professeur de génie électrique et informatique au Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement. « Nous avons pensé qu’en plus de leur rendement plus élevé, les cellules solaires tandem pourraient également résoudre certains des problèmes de stabilité auxquels sont confrontées les pérovskites en les reliant à des cellules en silicium, qui sont beaucoup plus stables. »
Pour tester leur hypothèse, les chercheurs ont construit trois chaînes de cellules solaires : une contenant uniquement des cellules solaires au silicium, une avec uniquement des pérovskites et une composée de cellules solaires en 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 panneau solaire peut rencontrer au moins une fois au cours de sa durée de vie de plusieurs décennies.
Un tel ombrage partiel signifie généralement une catastrophe pour les pérovskites, car les cellules encore éclairées forcent la charge à circuler à travers la cellule désormais ombragée et inactive, la dégradant rapidement ainsi que l’ensemble du module. Les cellules solaires au silicium, en revanche, sont beaucoup plus résistantes aux flux de tension et peuvent supporter des périodes d’ombrage partiel avec moins de problèmes.
Comme prévu, le module solaire composé uniquement de pérovskite s’est rapidement détérioré après un ombrage partiel, tandis que le module solaire en silicium n’a été que très peu impacté. Il est toutefois intéressant de noter que le module solaire tandem était tout aussi résistant que le module uniquement en silicium, ce qui implique qu’en connectant les deux technologies solaires, la cellule en silicium était capable de 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 et d’ingénierie des matériaux à KAUST. « Mais dans ce cas, c’est en fait le composant le plus fort qui protège le plus faible. »
Les chercheurs ont déclaré que leurs résultats démontrent que l’ombrage partiel – qui constitue un obstacle majeur aux modules à pérovskite uniquement – peut constituer une préoccupation négligeable pour les dispositifs solaires tandem connectés en série.
L’équipe a également déclaré que les résultats sont de bon augure pour les perspectives de commercialisation des pérovskites, car ils impliquent que les pérovskites pourraient avoir le plus grand potentiel lorsqu’elles sont déployées en complément de cellules solaires au silicium, pour lesquelles un écosystème de fabrication mature existe déjà. Au lieu de devoir construire un processus de fabrication concurrent, les pérovskites pourraient être ajoutées au processus de production commercialement éprouvé des cellules solaires au silicium.
Alors que l’équipe a noté que plusieurs défis, outre 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 résilience à la chaleur, elles ont déclaré que les dispositifs tandem pourraient permettre à la recherche solaire de continuer à évoluer après les cellules solaires au silicium ont atteint leurs limites supérieures d’efficacité de conversion de puissance.
« Si d’autres problèmes de stabilité peuvent être résolus, les cellules solaires tandem pourraient essentiellement reprendre une technologie commerciale déjà réussie et la rendre encore meilleure », a déclaré Rand. « Nos résultats démontrent clairement que les dispositifs tandem devraient constituer un domaine d’intervention pour les futures recherches solaires. »
Les travaux ont été soutenus par KAUST sous les numéros de contrat OSR-CRG2020-4350, OSR-CARF/CCF-3079 et OSR-CRG2022-5035. La recherche a été rédigée en partie par le NREL sous le numéro de contrat DE-AC36-08GO28308, et les chercheurs ont également reçu le soutien du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire (LDRD) du NREL.
