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17 janvier 2016 | La Revue POLYTECHNIQUE 01/2016 | Énergie

La pile solaire tandem a un bien meilleur rendement

La superposition de deux piles solaires permet de transformer une plus grande partie du rayonnement solaire en électricité. Des chercheurs de l’Empa ont développé des cellules photovoltaïques tandems pouvant être produites par un procédé continu «rouleau à rouleau» à une température de 50 °C seulement.
Ce qui est bon pour les lames de rasoir est aussi valable pour les cellules solaires: deux étapes simultanées donnent un meilleur résultat. Si l’on superpose deux cellules solaires dont l’une est semi-transparente, on peut alors transformer une plus grande partie de l’énergie solaire en électricité. Jusqu’à aujourd’hui, cette technique compliquée était utilisée principalement dans le domaine spatial. Ces cellules solaires, appelées «cellules tandem», étaient trop coûteuses pour une production de masse.
 
La pile solaire en pérovskite semi-transparente absorbe les rayons ultraviolets et la partie bleue de la lumière visible mais laisse passer la lumière rouge et le rayonnement infrarouge. Cette photo montre la transparence de la cellule solaire pérovskite développée à l’Empa. (Photo: Empa)
 
Une pile solaire tandem bon marché
Une équipe de l’Empa, réunie autour de Stephan Bücheler et Ayodhya N. Tiwari du laboratoire Couches minces et photovoltaïque est parvenue à développer une pile solaire tandem bon marché, que l’on peut appliquer sur des feuilles flexibles de matière plastique. Une étape importante vers la production de masse de cellules solaires hautement efficaces est ainsi franchie.
L’originalité de ce nouveau procédé réside dans l’application de la deuxième couche de cellule photovoltaïque à une température de 50 °C seulement, ce qui, pour les futurs procédés de fabrication industriels, promet une production peu coûteuse et économe en énergie.
D’emblée, cette cellule solaire tandem a atteint un taux de conversion de l’énergie solaire en électricité de 20,5 %. Elle fait ainsi jeu égal avec les meilleures cellules solaires produites jusqu’ici dans le monde. Et son potentiel n’est encore, de loin, pas épuisé, ainsi que le soulignent les chercheurs de l’Empa.

Meilleure efficacité grâce à la pérovskite
Le développement d’une cellule solaire en iodure de plomb et iodure de méthylammonium, qui se dépose sous forme de minuscules cristaux de pérovskite, constitue la clé de ce double succès. Le support utilisé est une substance dénommée PCBM ([6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle). Chaque molécule de PCBM comporte 61 atomes de carbone liés entre eux de manière à conférer à la molécule la forme d’un ballon de football.
La pérovskite est déposée «tiède» sur cette couche de ballons de football. Ce cristal magique absorbe les rayons ultraviolets et la partie bleue de la lumière visible pour les transformer en électricité, mais il laisse passer la lumière rouge et le rayonnement infrarouge. Les chercheurs ont ainsi pu placer sous cette cellule solaire en pérovskite, une autre cellule qui transforme le rayonnement restant en électricité.
Pour la couche inférieure de cette cellule tandem, les chercheurs de l’Empa ont utilisé une cellule CIGS (diséléniure de cuivre, d’indium gallium) – un genre de cellule sur laquelle ils effectuent des travaux de recherche depuis des années. Une production à petite échelle de modules solaires flexibles à base de cellules CIGS a déjà débuté.

Une meilleure utilisation du spectre du rayonnement solaire
L’avantage des cellules solaires tandems réside dans leur meilleure utilisation du rayonnement solaire. Une pile solaire ne peut transformer que le rayonnement dont l’énergie est supérieure à celle de la bande interdite du semi-conducteur utilisé. Si l’énergie du rayonnement est plus faible que celle de la bande interdite, il ne se forme pas d’électricité. Si son énergie est trop élevée, l’énergie excédentaire se transforme en chaleur et est donc perdue. Une cellule solaire à deux étages, telle que la cellule pérovskite-CIGS, associe des substances qui possèdent des bandes interdites différentes et qui peuvent ainsi transformer une plus grande partie du rayonnement solaire en électricité.

L’objectif: des rendements supérieurs à 30 %
Alors que les très bonnes cellules solaires «mono-étage» transforment au maximum 25 % de l’énergie solaire en électricité, les cellules solaires tandems pourraient bien dépasser la barre des 30 %. «Ce que nous avons atteint n’est que le début, de nombreux obstacles restent encore à franchir. Il faut avoir recours à un très large savoir interdisciplinaire et réaliser encore un grand nombre d’expériences pour trouver la meilleure combinaison d’une cellule solaire semi-transparente haute performance avec la cellule de base adéquate», déclare Ayodhya Tiwari.
Stephan Bücheler, qui coordonne les travaux de recherche au sein de l’équipe d’Ayodhya Tiwari, relève que la course à l’efficacité dans la recherche sur les cellules solaires n’est pas qu’une affaire de prestige entre instituts de recherche. «Dans la production d’électricité solaire, seule la moitié des coûts est occasionnée par les modules solaires. L’autre moitié provient de l’infrastructure: onduleurs, câblage, constructions porteuses pour les modules, frais d’ingénierie et d’installation. Tous ces coûts vont diminuer si les cellules solaires deviennent plus efficaces avec des installations de plus petite taille. Les cellules solaires efficaces sont ainsi la clé de l’éco-électricité bon marché», ajoute le chercheur.

Empa
8600 Dübendorf
Tél.: 058 765 11 11
www.empa.ch