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Les cellules solaires tandem, qui combinent deux semi-conducteurs différents à base de pérovskite, promettent des rendements élevés et peuvent être fabriquées avec une très faible consommation d’énergie. En collaboration avec des partenaires de l’industrie et de la recherche, le professeur Steve Albrecht travaille à la concrétisation de cette vision au Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB).
Son équipe a récemment réussi à fabriquer une cellule solaire tandem entièrement en pérovskite avec un rendement certifié de 27,2%. Un entretien sur les chances et les défis des technologies pérovskite-pérovskite.
Avec votre équipe, vous avez déjà participé à plusieurs reprises à des records mondiaux avec des cellules solaires tandem. Pourquoi les cellules solaires tandem sont-elles un sujet de recherche si passionnant ?
Steve Albrecht : Aujourd’hui déjà, le photovoltaïque compte parmi les méthodes les plus avantageuses pour produire de l’électricité de manière durable. La plupart des modules solaires sont à base de silicium et atteignent un rendement d’environ 21%. Cette technologie se heurte toutefois déjà à des limites physiques et seules de petites améliorations sont encore possibles. Il en va tout autrement des cellules solaires tandem à base de pérovskite : la première publication à ce sujet est parue en 2015, et depuis, nous assistons à une évolution fulgurante vers des rendements nettement supérieurs à ceux du silicium.
Comment une cellule solaire tandem parvient-elle à convertir une plus grande partie de la lumière solaire en énergie électrique ?
Une cellule solaire tandem est généralement composée de deux matériaux semi-conducteurs avec des bandes interdites différentes. Le semi-conducteur avec une bande interdite plus étroite convertit essentiellement la lumière rouge en énergie électrique, tandis que le semi-conducteur avec une bande interdite plus large peut plutôt convertir la lumière bleue du soleil. Le rendement augmente ainsi considérablement. Nous pouvons imaginer empiler plus tard non pas deux ou trois couches de semi-conducteurs, mais de nombreuses couches différentes, afin d’atteindre des rendements plus élevés.
Quel est le charme particulier d’une cellule solaire tandem composée de deux matériaux pérovskites différents ?
Les matériaux semi-conducteurs hybrides organiques-inorganiques de la famille des pérovskites possèdent des propriétés intéressantes : leur bande interdite peut être très facilement influencée, et ce, par des modifications de la composition chimique. Nous combinons un matériau pérovskite à bande interdite étroite avec un deuxième matériau à large bande interdite. Pour cela, nous remplaçons par exemple partiellement l’élément plomb par de l’étain, ce qui réduit la bande interdite à environ 1,25 eV. Nous combinons ensuite ce matériau avec une couche absorbante de pérovskite présentant une bande interdite particulièrement large d’environ 1,8 eV, qui contient à son tour beaucoup de brome. Mais les différentes pérovskites ont aussi d’excellentes propriétés optiques et électriques, ce qui permet d’obtenir des rendements élevés. D’un point de vue purement théorique, il serait même possible d’atteindre des rendements de cellules tandem bien supérieurs à 40%.
Pourquoi les matériaux à base de pérovskite sont-ils si bien adaptés ?
Non seulement les propriétés des semi-conducteurs à base de pérovskite peuvent être adaptées à des exigences particulières, mais il existe déjà différents procédés de fabrication peu coûteux et à grande échelle. Il est ainsi possible de produire des cellules photovoltaïques de n’importe quelle forme ou des modules solaires sur des supports souples. Il n’y a pratiquement pas de limites à l’imagination. De plus, la production de modules PV avec des cellules tandem pérovskite-pérovskite ne coûte que très peu d’énergie. De tels modules ont donc déjà en soi une empreinte carbone plus faible que, par exemple, les modules solaires à base de silicium que l’on trouve actuellement sur le marché.
Comment les travaux de recherche sur les cellules solaires tandem à base de pérovskite ont-il commencé ?
Le coup d’envoi a été donné par le projet HIPSTER, financé par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Le nom convient bien sûr parfaitement à notre jeune équipe ici à Berlin, même si nous l’avons composé à partir de lettres utilisées dans ce projet de recherche. Dès la première phase de HIPSTER, nous avons montré que nous pouvions développer des cellules solaires tandem très efficaces. Nous y avons également utilisé les monocouches auto-organisées (self-assembled monolayers, SAM) que nous avons développées, et qui ont permis d’atteindre des rendements élevés. Dans la deuxième phase du projet, nous voulons encore améliorer la stabilité des cellules solaires tandem pérovskite-pérovskite. Pour cela, nous devons trouver où se produisent les pertes électriques, par exemple aux niveaux des interfaces et des matériaux de contact dans l’ensemble de l’empilement tandem. Au terme de ce projet fondamental, nous souhaitons augmenter considérablement la stabilité des cellules solaires tandem pérovskite-pérovskite grâce à une meilleure compréhension des processus de dégradation. Nous espérons que ces cellules tandem atteindront des valeurs de rendement similaires à celles des cellules tandem silicium-pérovskite.
En outre, vous participez avec votre équipe à un projet européen consacré aux cellules tandem pérovskite-pérovskite. De quoi s’agit-il ?
Nous voyons encore un peu plus grand et travaillons pour cela avec des partenaires scientifiques et industriels européens. Dans le cadre du projet SuPerTandem, nous voulons développer, en collaboration avec des partenaires de huit pays, une technologie photovoltaïque bon marché avec une faible empreinte carbone. Les cellules tandem pérovskite-pérovskite, qui peuvent être fabriquées sur des substrats flexibles par des procédés d’impression, sont parfaites pour cela. Très concrètement, nous voulons contribuer au développement d’un module tandem pérovskite sur 10×10 cm2 avec un rendement de plus de 30%.
Jusqu’à présent, les cellules solaires en pérovskite sont encore considérées comme assez fragiles. Combien de temps fonctionneront-elles et qu’adviendra-t-il de tels modules lorsqu’ils auront fait leur temps ?
La stabilité à long terme s’est déjà beaucoup améliorée. Nous visons des stabilités équivalentes à celles des modules en silicium établis. Plusieurs partenaires du projet travaillent également sur des concepts de recyclage. L’objectif est de mettre en place une économie circulaire fermée pour les modules tandem pérovskite-pérovskite.
Quelle est la performance actuelle des cellules solaires tandem pérovskite-pérovskite?
Le rendement le plus élevé annoncé jusqu’à présent pour les cellules solaires tandem composées exclusivement de pérovskites est de 28,0%. Toutefois, aucun détail scientifique n’a encore été publié à ce sujet. Nous avons récemment réussi à atteindre un rendement certifié de 27,2% avec une cellule solaire tandem pérovskite- pérovskite développée par le Dr Fengjiu Yang, postdoc au HZB. Cette valeur est très proche du record et nous avons déjà des idées pour l’améliorer encore. Nous pensons qu’avec des optimisations supplémentaires, des rendements de 33% sont réalistes avec cette technologie.