Des chercheurs allemands établissent un nouveau record mondial avec une cellule solaire tandem en pérovskite-CIGS d'efficacité de 25,5 %

Dans le cadre d'une avancée majeure pour la technologie photovoltaïque, des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) et de la Humboldt-Universität ont atteint un nouveau record mondial d'efficacité de conversion d'énergie de 25,5 % pour une cellule solaire tandem à pérovskite-CIGS. Cette étape, certifiée par l'ESTI (European Solar Test Installation), représente l'efficacité la plus élevée jamais enregistrée pour cette combinaison de matériaux spécifique et marque une avancée majeure dans le développement des technologies solaires à couches minces.

Cet appareil est capable d'atteindre un record mondial d'efficacité grâce à sa conception utilisant à la fois une cellule supérieure (pérovskite) et une cellule inférieure (CIGS) qui constituent ensemble ce que l'on appelle une « structure tandem monolithique ». Par conséquent, chaque partie de la cellule absorbe et convertit l'énergie solaire à différentes longueurs d'onde dans le spectre solaire-c'est-à-dire que la cellule supérieure absorbe la lumière à haute énergie (ultraviolette) ; tandis que la cellule inférieure absorbe la lumière à faible énergie (infrarouge). En raison de cette structure, le côté supérieur de la cellule supérieure et le côté inférieur de la cellule inférieure absorberont différentes parties du spectre solaire avec une efficacité plus élevée que celle que l'un ou l'autre des appareils pourrait atteindre seul ; créant ainsi une augmentation de l'efficacité totale lorsque les deux appareils fonctionnent ensemble en tandem.

Pour atteindre ce record, les chercheurs du HZB et de la Humboldt Universität ont systématiquement optimisé plusieurs aspects de l'architecture de l'appareil. Ils ont exploré des cellules inférieures à base de CIGS-avec des bandes interdites soigneusement ajustées de 1,05 eV et 1,1 eV, ainsi que deux épaisseurs différentes de couches d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium-. Cette ingénierie méticuleuse de la bande interdite leur a permis de mieux faire correspondre la génération actuelle entre les sous-cellules supérieure et inférieure-un facteur critique dans les performances des appareils tandem.

L'équipe a également procédé à un examen approfondi des matériaux des couches de transport de trous, en testant diverses combinaisons d'oxyde de nickel (NiOx) et de monocouches auto--assemblées (SAM). Ces couches d'interface jouent un rôle crucial dans l'extraction des porteurs de charge photogénérés tout en supprimant les pertes de recombinaison-un principal mécanisme limitant l'efficacité-des cellules solaires. En identifiant les configurations d'interface optimales, les chercheurs ont pu simultanément améliorer la sélectivité des charges et minimiser les pertes d'énergie au niveau des contacts.

Peut-être plus particulièrement, l'équipe a affiné la formation de contact sélectif des électrons en contrôlant avec précision le taux d'évaporation thermique initial du buckminsterfullerène (C60) déposé sur une couche de passivation ultra fine de fluorure de lithium (LiF) de 1 nm. Cette approche sophistiquée a permis ce qu'ils ont décrit comme « une formation d'interface plus contrôlée et un alignement électronique amélioré », démontrant que l'ingénierie des couches de contact à l'échelle nanométrique peut générer des gains de performances substantiels.

Même si l'efficacité record a été obtenue sur un appareil de petite-superficie de 1 081 cm², les chercheurs ont démontré que leurs optimisations pouvaient être transposées dans des formats plus grands. En utilisant une pile similaire de matériaux, ils ont fabriqué un mini-module d'une superficie de 2,25 cm² qui a atteint une efficacité d'environ 19,7 %. Bien que cela représente une baisse significative par rapport à l'efficacité des petites cellules-, cela fournit des preuves encourageantes que les stratégies d'interface et de contact sous-jacentes peuvent être étendues au-delà du cadre du laboratoire.

L’aspect le plus excitant de cette annonce est peut-être ce qu’elle suggère sur le potentiel futur. Guillermo Farias Basulto, chercheur au HZB, a noté que « la physique qui sous-tend notre architecture cellulaire actuelle indique que 25,5 % ne constitue qu'un premier jalon ». Les tests internes-de conceptions similaires ont déjà permis d'atteindre des rendements allant jusqu'à 27,5 %, ce qui implique que le concept fondamental de l'appareil présente encore un potentiel considérable inexploité.

La recherche a été menée dans le cadre du projet "SOLMATES", une initiative financée par l'UE-dirigée par HZB pour explorer l'intégration des technologies CIGS et pérovskite. Le précédent record du HZB dans le cadre de ce programme s'élevait à 24,6 %, ce qui fait du saut à 25,5 % un pas en avant significatif, quoique progressif.

Cette réalisation revêt une signification importante pour l’industrie des cellules solaires. Une cellule à couche mince CIGS-présentera plusieurs avantages par rapport aux cellules solaires à couche mince-classiques, comme sa flexibilité, sa capacité à fonctionner correctement dans des conditions partiellement éclairées et ses faibles coûts de fabrication. En combinant les avantages des cellules CIGS avec ceux des cellules pérovskites, les cellules CIGS ont le potentiel d'être utilisées pour de nouvelles applications dans l'électronique flexible et le BIPV, où les cellules au silicium ne peuvent pas être utilisées.

Les résultats de l'étude indiquent également que les tandems CIGS à base de pérovskite-sont compétitifs par rapport aux systèmes tandem à base de silicium-. En plus de pouvoir être fabriqués en utilisant uniquement un film mince, ils peuvent également être fabriqués en utilisant moins d'un micromètre de matériau. Leur conception ultra-légère et flexible offrira de nouvelles opportunités pour leur utilisation en tant que solutions intégrées-ou applications électroniques portables.

Bien que 25,5 % soit une réalisation remarquable, la limite d'efficacité théorique des tandems pérovskite-CIGS dépasse 30 %. L'écart entre le record actuel et ce plafond théorique suggère que des améliorations substantielles restent possibles grâce à une optimisation continue de la qualité des matériaux, de l'ingénierie des interfaces et de la gestion optique. L'approche systématique de l'équipe allemande-explorant plusieurs bandes interdites, combinaisons de couches de transport et stratégies d'ingénierie de contact-fournit un modèle méthodologique pour les efforts futurs.

Alors que l’industrie solaire mondiale poursuit son expansion rapide, les innovations dans la technologie des cellules tandem joueront un rôle de plus en plus important dans la réduction du coût de l’électricité solaire. L'obtention par les chercheurs allemands d'une efficacité de 25,5 % pour les tandems pérovskite-CIGS représente non seulement un nouveau record mondial, mais aussi une démonstration du potentiel extraordinaire qui se trouve à l'intersection de ces deux systèmes matériels remarquables. Avec-des résultats internes suggérant déjà que 27,5 % sont à portée de main, et avec une limite théorique encore bien plus élevée, le chemin vers une efficacité solaire véritablement transformatrice est loin d'être terminé.