De nouvelles conceptions pourraient stimuler les cellules solaires au-delà de leurs limites


Les couvertures solaires la Terre avec assez de photons par heure pour répondre aux besoins en énergie du monde entier pendant un an. La question est de savoir comment les convertir efficacement en électricité. Même dans des conditions de laboratoire à petite échelle, les meilleures cellules solaires au monde à une seule jonction, telles que celles que l'on trouve dans la plupart des panneaux solaires, captent encore 29% de l'énergie solaire. Cela les met tout juste sous la limite stricte d'environ un tiers calculée par les chercheurs en énergie solaire il y a un demi-siècle. Mais les scientifiques qui étudient le photovoltaïque – le processus par lequel la lumière solaire est convertie en électricité – soupçonnent aussi depuis longtemps que cette limite n’est pas aussi difficile qu’elle le semblait.

Le plafond de l'efficacité des cellules solaires, connu sous le nom de limite de Shockley-Queisser, se situe entre 29 et 33%, selon la façon dont vous le mesurez. Il s’agit d’une cellule à simple jonction, c’est-à-dire qu’elle n’utilise qu’un seul type de semi-conducteur et qu’elle est alimentée par la lumière directe du soleil. Pour dépasser la limite, les chercheurs ont essayé d'empiler plusieurs types de semi-conducteurs ou d'utiliser des lentilles pour concentrer la lumière de manière à ce que la cellule reçoive un souffle des centaines de fois plus puissante que le soleil. Plus tôt cette année, le National Renewable Energy Lab a établi un record du monde en utilisant une cellule solaire à six jonctions et un faisceau 143 fois plus concentré que le rayonnement solaire pour atteindre une efficacité énergétique impressionnante de 47,1%.

Mais cette technologie ne sera jamais déployée à grande échelle. Selon Marc Baldo, professeur d’ingénierie électrique et d’informatique au MIT, la raison en est que ces cellules solaires multicouches à très haute efficacité sont beaucoup trop complexes et coûteuses à produire en tant que panneaux solaires. Pour obtenir réellement plus d'énergie solaire sur le réseau électrique, il est nécessaire de déterminer comment atteindre la limite Shockley-Queisser avec des cellules solaires à simple jonction, à base de silicium, qui sont comparativement faciles et peu coûteuses à produire. Mieux encore, ce serait de trouver un moyen de hausser la limite. Et après une décennie de travail, Baldo et ses collègues ont peut-être enfin compris comment.

Comme détaillé dans un article publié la semaine dernière dans La nature, L’équipe de Baldo a recouvert les cellules solaires d’une fine couche de tétracène, une molécule organique qui sépare efficacement les photons entrants en deux. Ce processus est connu sous le nom de fission d'excitons et signifie que la cellule solaire est capable d'utiliser des photons à haute énergie de la partie bleu-vert du spectre visible.

Voici comment ça fonctionne. Les cellules solaires au silicium génèrent un courant électrique en utilisant des photons entrants pour envoyer des électrons du silicium dans un circuit. Combien d'énergie cela prend-il? Cela dépend d'un attribut du matériau connu sous le nom de bande interdite. La bande interdite du silicium correspond aux photons infrarouges, qui transportent moins d’énergie que les photons dans la partie visible du spectre électromagnétique. Les photons situés en dehors de la bande interdite du silicium sont essentiellement des déchets. Mais c’est là que le tétracène entre: Il divise les photons bleu-vert en deux «paquets» d’énergie équivalant chacun à un photon infrarouge. Ainsi, plutôt que chaque photon infrarouge libérant un électron, un seul photon dans le spectre bleu-vert peut libérer deux électrons. C’est essentiellement obtenir deux photons pour le prix d’un.

Cette nouvelle cellule représente une approche fondamentalement nouvelle d’une recherche bien connue dans le domaine de la recherche photovoltaïque: si vous voulez dépasser la limite de Shockley-Queisser, vous devez capter l’énergie d’une gamme plus large de photons solaires. Etant donné que cette cellule ne compte pas sur une pile coûteuse de matériaux avec des espaces interdits différents pour élargir sa gamme, elle pourrait également s'avérer plus pratique. Baldo explique que l'utilisation de tétracène pourrait dépasser la limite théorique d'efficacité énergétique de 35%, soit un niveau supérieur à ce qui avait été imaginé pour les cellules à simple jonction.

Bien que l’ajout de tétracène soit simple sur le plan conceptuel, sa mise en œuvre le fut moins. La raison, dit Baldo, est que si vous mettez le tétracène directement sur le silicium, ils interagissent de manière à tuer la charge électrique. Le défi pour Baldo et ses collègues consistait à trouver un matériau pouvant être pris en sandwich entre les deux afin de permettre aux paquets d’énergie de circuler du tétracène au silicium. La littérature théorique leur ayant donné peu d'indications, l'équipe s'est donc lancée dans un long processus d'essais et d'erreurs pour trouver le matériel d'interface approprié. Cela s'est avéré être une couche d'oxynitrure d'hafnium de seulement huit atomes d'épaisseur.

Mais cette cellule n’a encore battu aucun record. Son efficacité était d’environ 6% dans les tests. Il lui reste donc un long chemin à parcourir avant de pouvoir rivaliser avec les cellules solaires au silicium existantes, et encore moins d’être visibles sur un toit. Mais ce travail était uniquement destiné à prouver le concept de fission par excitons dans une cellule solaire. Selon Baldo, pour augmenter l'efficacité de la cellule, des travaux d'ingénierie seront nécessaires pour l'optimiser dans la fission de l'exciton.

En ce sens, ce que l’équipe du MIT a démontré n’était pas tant une technologie compétitive, mais une nouvelle façon d’aller au-delà des limites de la photovoltaïque existante, déclare Joseph Berry, scientifique senior au Laboratoire national des énergies renouvelables. «Ce qui est bien ici, c’est qu’il s’agit d’une approche fondamentalement différente du photovoltaïque traditionnel», dit-il. "C’est une idée qui existe depuis longtemps, mais qui n’a pas été traduite en un quelconque appareil fonctionnel."

Berry et ses collègues de NREL explorent d'autres moyens de faire progresser l'efficacité des cellules solaires sans la complexité et le coût supplémentaires des cellules à jonctions multiples. Parmi les pistes les plus prometteuses explorées par Berry, on trouve les cellules de pérovskite, qui utilisent des matériaux synthétiques dotés de propriétés structurelles similaires à celles de la Perovskite, une substance minérale naturelle. Les premières cellules solaires pérovskites ont été produites il y a seulement une décennie, mais depuis lors, elles ont enregistré les gains d'efficacité les plus rapides de tous les types de cellules solaires.

Les cellules pérovskites présentent de nombreux avantages par rapport aux cellules solaires traditionnelles en silicium, en particulier leur tolérance aux défauts de matériaux. Quelques particules indésirables sur une cellule solaire en silicium peuvent la rendre inutile, mais les matériaux à base de pérovskite fonctionnent toujours bien, même s’ils ne sont pas parfaits. Ils traitent également l'énergie photonique plus efficacement que le silicium. En effet, l’une des principales raisons pour laquelle le silicium a dominé la technologie des cellules solaires n’est pas due au fait qu’il s’agit du meilleur matériau, mais simplement au fait que les scientifiques en savent beaucoup à cause de son utilisation répandue dans les technologies numériques.

Jusqu'à présent, aucune de ces cellules solaires de nouvelle génération n'a été introduite dans les produits commerciaux. Presque tous les panneaux solaires actuellement en service utilisent des cellules classiques au silicium monocouche, qui ont fait leurs preuves depuis des décennies. Pour installer des panneaux solaires à base de pérovskite sur le terrain, il faudra démontrer qu’ils sont stables et qu’ils peuvent durer 20 ans ou plus. Selon M. Berry, un certain nombre de sociétés ont déjà mis en place de petits panneaux de pérovskite, qui, espère-t-il, ouvriront la voie à une adoption plus large ultérieurement.

Berry indique qu'il est concevable que la technologie de fission à excitons en cours de développement au MIT puisse être combinée à des cellules solaires à pérovskite afin d'accroître leur efficacité. "Ce n’est pas une proposition", explique Berry, mais la première fission par excitons doit prouver qu’elle est suffisamment efficace pour des applications réelles. En fin de compte, plus de lumière solaire sur le réseau impliquera probablement une série de technologies solaires, chacune avec ses propres avantages.


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