Des scientifiques du Laboratoire de photovoltaïque et couches minces de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL, en collaboration avec le CSEM, ont mis au point une cellule solaire qui allie tension exceptionnelle, rendement élevé, potentiel de fabrication à grande échelle.

Ce dispositif à triple jonction se compose d’une cellule inférieure en silicium, sur laquelle sont déposées en couches minces, des cellules intermédiaire et supérieure de semi-conducteurs pérovskites. Selon l’étude publiée dans Nature, cette cellule atteint un rendement certifié indépendant de 30,02 %, dépassant le précédent record certifié de 27,1 %.

Kerem Artuk, premier auteur de l’étude, diplômé de l’EPFL et aujourd’hui au CSEM,  : «  Nous démontrons qu’il est possible de s’approcher des performances jusqu’ici réservées aux cellules solaires multi-jonctions III-V, les plus coûteuses, principalement utilisées dans le spatial.  Avec plusieurs couches de semi-conducteurs, ces cellules peuvent atteindre jusqu’à 37 % de rendement, mais coûtent environ 1 000 fois plus cher par watt que les cellules terrestres. Notre approche ouvre la voie à une nouvelle génération de photovoltaïque multi-jonction à haut rendement, compatible avec une production industrielle. »

« Notre première démonstration en 2018 n’atteignait que 13 % de rendement. Dépasser aujourd’hui les 30 % avec un dispositif à triple jonction constitue donc une avancée remarquable », ajoute Christophe Ballif, directeur du PV-Lab. « Les cellules solaires à triple jonction présentent un potentiel de rendement supérieur à celui des cellules simples ou tandem — bien au-delà de 40 %. »

Une architecture qui repousse les limites

Des  limitations majeures des cellules à triple jonction  ont été dépassées grâce à trois innovations clés dans la conception des matériaux et l’architecture optique du dispositif.

  Premièrement, les scientifiques ont ajouté une molécule qui guide la formation des cristaux de pérovskite et élimine les défauts, permettant à la cellule supérieure de générer une tension plus élevée (1,4 V) sous l’effet de la lumière du soleil.

Deuxièmement, ils ont développé une méthode de fabrication en trois étapes pour la cellule intermédiaire, améliorant l’absorption de la lumière dans la partie proche infrarouge du spectre solaire.

    Troisièmement, des nanoparticules ont été intégrées entre la cellule inférieure en silicium et la cellule intermédiaire en pérovskite pour réfléchir davantage de lumière vers cette dernière, augmentant le courant généré.

Vers une énergie performante et accessible

Les matériaux utilisés, pérovskites et silicium, sont moins coûteux que les semi-conducteurs III-V des cellules solaires les plus performantes, principalement destinées aux satellites. Atteindre de tels niveaux de rendement à moindre coût pourrait favoriser le déploiement de technologies solaires de nouvelle génération, à grande échelle comme dans le résidentiel, ou dans le spatial.

Christian Wolff, collaborateur scientifique et responsable d’équipe à l’EPFL, indique que les travaux se poursuivront, notamment sur les stratégies de passage à l’échelle avec le CSEM. Des tests de durabilité seront réalisés. Le potentiel d’intégration dans de futurs produits commerciaux sera étudié. « Ce projet illustre la force de la combinaison entre recherche fondamentale et savoir-faire suisse en ingénierie ».