Nouveau type de cellule photovoltaïque en tandem silicium/pérovskite
Une équipe du centre Helmholtz pour les Matériaux et l’Énergie de Berlin (HZB) en partenariat avec l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse) est parvenue à intégrer des pérovskites [1] à une cellule photovoltaïque à base de silicium. Le rendement [2] obtenu de 18 % est le plus haut obtenu pour cette configuration de cellule. En apportant des améliorations technologiques, celui-ci pourrait atteindre 30 %.
Les pérovskites, prennent une place de plus en plus importante dans la fabrication de cellules photovoltaïques : en six ans, le rendement des cellules contenant des pérovskites a été multiplié par cinq.
L’un des moyens, pour une cellule photovoltaïque, d’améliorer son rendement est de pouvoir absorber le maximum de radiations lumineuses du spectre solaire pour augmenter l’intensité du courant générée. La pérovskite absorbe les radiations bleues du spectre solaire et il est pertinent de l’associer à une cellule photovoltaïque à base de silicium qui absorbe davantage les radiations lumineuses rouges et infra-rouges. Mais une intégration monolithique [3] de la pérovskite est technologiquement complexe. En effet, une intégration optimale de la pérovskite requiert une température élevée, ce qui dégrade la cellule photovoltaïque initiale en silicium.
Les chercheurs du HZB et de l’EPFL sont parvenus à concevoir une structure monolithique de cellule photovoltaïque en tandem silicium/pérovskite. Pour cela, la couche de dioxyde de titane entre le silicium et la pérovskite a été remplacée par une couche de dioxyde d’étain (SnO2 sur la figure ci-dessous) déposée à une température plus basse. La cellule photovoltaïque silicium est donc protégée, et ce, jusqu’à la finalisation du composant avec la pérovskite.
Configuration de la cellule photovoltaïque tandem silicium/pérovskite : la partie, correspondant à la cellule photovoltaïque à base de silicium, comprend les couches a-Si:H/c-Silicon/a-Si:H [4] et la partie, correspondant à l’intégration du matériau pérovskite, comprend les couches SnO2/Perovskite/spiro-OMeTAD/MoO3 [5,6]. Les plots d’ITO [7] et la couche inférieure d’argent correspondent aux contacts métalliques
© S.Albrecht (HZB)
Un rendement de 18 % a été obtenu, ce qui correspond à une amélioration de 3 % par rapport à un rendement moyen de cellule photovoltaïque en silicium seule. Le potentiel d’amélioration est cependant encore important, notamment dans la capture de la lumière du soleil. L’intégration d’une texturisation [8] permettrait d’augmenter la quantité de lumière capturée, que ce soit sur la face avant de la cellule qu’au niveau du substrat du silicium. Le rendement pourrait ainsi être augmenté jusqu’à 25-30 %, selon les estimations des chercheurs.
Les cellules photovoltaïques à base de silicium représentent 90 % du marché. La couche en pérovskite pouvant grandement améliorer le rendement des cellules hybride, les industriels sont également intéressés par ces résultats. L’intégration de la pérovskite peut générer quelques étapes supplémentaires dans le procédé de fabrication d’une cellule. Toutefois, la stabilité dans le temps et la teneur en plomb pour une cellule à base de pérovskite sont des questions qui restent encore à résoudre.
[1] Le nom de matériau pérovskite a d’abord été associé au titanate de calcium CaTiO3, en l’honneur du minéralogiste russe Lev Perowski (1792 – 1856). De nos jours, il est universellement utilisé pour tous les composés oxydes qui ont la structure caractéristique ABO3, où A est très souvent un lanthanide ou un alcalino-terreux, B un métal et O l’oxygène.
[2] Le rendement d’une cellule photovoltaïque correspond au rapport entre la puissance électrique maximale fournie par la cellule et la puissance solaire incidente.
[3] Une intégration monolithique de la pérovskite à une cellule photovoltaïque correspond à une intégration d’un seul bloc entre les deux éléments.
[4] a-Si:H représente du silicium amorphe, qui ne possède pas d’ordre cristallin au contraire du substrat de silicium (c-Silicon sur le schéma)
[5] spiro-OMeTAD (2,2’7,7’-tétrakis(N,N-di-p-méthoxyphényl-amine)-9,9’-spiro-bifluorène) correspond à un conducteur de trou, c’est-à-dire que le déplacement des charges ne se fait plus par diffusion, mais par saut d’électron d’une molécule de spiro-OMeTAD à une autre.
[6] MoO3 correspond à de l’acide molybdique et sert de couche de protection entre le spiro-OMeTAD et le contact métallique supérieur
[7] ITO correspond à un alliage d’indium, d’étain et d’oxyde comme contact métallique pour la collecte du courant généré dans la cellule photovoltaïque
[8]. L’opération de texturisation vise à développer en surface un relief micrométrique (typiquement 5-10 micromètres), permettant davantage de réflexions et de multiplier les points d’entrée de la lumière incidente à un matériau.
Source : « Monolithische Tandem-Solarzelle aus Silizium und Perowskit mit Rekord-Wirkungsgrad », communiqué de presse de l’HZB, 28/10/2015 – http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14342&sprache=de&typoid=5272
Rédacteur : Aurélien Gaufrès, aurelien.gaufres[at]diplomatie.gouv.fr – www.science-allemagne.fr