La course au record du rendement de conversion des rayons solaires en électricité par une cellule photovoltaïque se poursuit. En décembre 2020, les anglais d’Oxford PV, une spin-off de l’Université d’Oxford, pionnière dans la recherche sur les cellules à base de pérovskite, avaient annoncé la mise au point d’une technologie qui a permis de convertir en électricité 29,52 % de l’énergie des rayons solaires incidents, battant ainsi le record précédent de 29,15% détenu par les scientifiques du Centre Helmholtz de Berlin (HZB). Aujourd’hui ceux-ci affirment avoir fait mieux que les chercheurs d’Oxford en annonçant une efficacité de 29,80% pour une nouvelle génération de cellules solaires.
A titre de comparaison, les techniques photovoltaïques classiques à base de silicium, affichent une efficacité de l’ordre de 15 à 20 %. Le procédé exploité par Oxford PV consiste à revêtir de pérovskite des cellules en silicium afin de mieux utiliser le spectre des rayons solaires. C’est ce qu’on appelle des cellules tandem : en empilant l’une sur l’autre deux cellules minces qui absorbent les rayons solaires dans des domaines spectraux différents, l’ensemble utilise une plage plus large du spectre solaire, ce qui permet donc un rendement plus élevé.
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A la base, les chercheurs berlinois du Centre Helmholtz exploitent la même technique, mais ils l’ont encore perfectionnée. En janvier 2020, ils avaient d’ailleurs déjà battu un record précédent en obtenant une efficacité de 29,15 % avec une cellule solaire tandem silicium/pérovskite. Leurs travaux avaient été publiés dans la revue Science.
Nouveau record
La surface de la cellule testée, détentrice du nouveau record de 29,80%, est de 1 cm2 (une taille classique en laboratoire). Les scientifiques allemands ont d’abord « nanostructuré » sa face avant, c’est-à-dire qu’ils ont travaillé la surface de la cellule de silicium en lui conférant une « texture », dont les dimensions du relief sont de l’ordre du nanomètre[1]. « La nanotexturation améliore l’absorption de la lumière et permet l’obtention d’un courant plus élevé par rapport à une surface de référence lisse », explique Johannes Sutter, l’un des chercheurs de l’équipe. Son collègue Philipp Tockhorn ajoute : « les nanotextures conduisent également à une légère amélioration de la qualité électronique de la cellule solaire tandem et à une meilleure formation de film des couches de pérovskite ».
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A l’arrière de la cellule l’équipe a eu l’idée d’accoler un réflecteur diélectrique pour réfléchir les rayons infrarouges vers l’absorbeur en silicium. « Cela permet d’utiliser cette partie du spectre solaire plus efficacement », précise Alexandros Cruz Bournazou qui a, lui-aussi, participé à la recherche. Résultat : l’obtention d’un nouveau record mondial d’efficacité de conversion de la lumière solaire en électricité, avec 29,80 %.
La performance a été certifiée par le Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, basé à Fribourg en Allemagne, qui est renommé mondialement pour son expertise dans le domaine de l’énergie solaire. Le National Renewable Energy Laboratory du ministère américain de l’énergie, a également enregistré ce record.
La cellule tandem en silicium/pérovskite repose sur deux innovations : une face avant nanotexturée, à gauche, et une face arrière dotée d’un réflecteur diélectrique, à droite.
Le seuil psychologique des 30% pourrait bientôt être atteint
Cette prouesse technologique ouvre la voie à d’autres améliorations. Des simulations suggèrent que le rendement pourrait être encore amélioré en nanostructurant les couches absorbantes des deux côtés de la cellule tandem. Les chercheurs sont convaincus qu’une efficacité supérieure à 30 % pourrait être atteinte prochainement. « Un rendement de 30 %, c’est comme un seuil psychologique pour cette nouvelle technologie fascinante qui pourrait révolutionner l’industrie photovoltaïque dans un proche avenir » s’est réjoui Steve Albrecht, qui travaille sur les films minces de pérovskite dans les laboratoires du Centre Helmholtz.
Rappelons que L’Institut Fraunhofer avait annoncé cet été un rendement encore bien supérieur pour la conversion de la lumière en électricité par une cellule photovoltaïque : 68,9%. Mais ce record-là ne compte pas, parce qu’il avait été obtenu en éclairant la cellule par une lumière laser monochromatique, et pas par la lumière du soleil.
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[1] Un nanomètre = un millionième de millimètre
Le solaire a concentration HDCPV est deja en production commerciale avec un rendement entre 33% et 42% et mil fois moins de silicium que pour un panneau solaire classique, avec un cout de production en dessous du charbon et du gaz.
L’interet de la perovskite est une fabrication plus simple et moins onereuse, le rendement de 29% n’est pas extraordinaire et son abondance non plus, sans oublier la durabilité du materiau et du produit.
Le gain par rapport à du silicium classique n’est pas si énorme. Il faut donc voir à quel prix. Les premières cellules en pérovskite étaient très peu durables (quelques heures!). Inutile de faire des panneaux à 30% de rendement qu’il faut remplacer tous les 5 ans. A surveiller de près donc le vieillissement de ces nouvelles cellules. C’est pourquoi il faudra encore des années du laboratoire à la production industrielle.
Si vous voulez installer des panneaux PV, allez-y, n’envisagez surtout pas d’attendre l’arrivée sur le marché des perovskites!
On approche de la limite maximale.
Seul un tiers du rayonnement peut être converti.
Donc quand vous voyez des PV avec 20 à 25% de rendement il n’est pas vraiment judicieux d’espérer beaucoup plus.