La pérovskite est un matériau révolutionnaire pour la fabrication de cellules solaires haut de gamme. Elle permet de produire des modules minces, légers et transparents, capables d'atteindre une efficacité énergétique élevée, à faible coût de production et avec une excellente absorption de la lumière solaire.
Grâce à leur semi-transparence, les cellules solaires en pérovskite s'intègrent parfaitement sur des cellules en silicium traditionnelles, formant des cellules tandem. Ces configurations offrent un potentiel immense pour booster l'efficacité des panneaux solaires et pourraient représenter la solution la plus économique pour optimiser le photovoltaïque.
La mobilité évolue à vive allure : vélos et scooters électriques envahissent les rues, tandis que les voitures hybrides et électriques conquièrent des parts de marché croissantes. L'industrie automobile s'intéresse vivement à l'intégration de cellules solaires sur les toits ou autres surfaces véhicules. Cela réduit la charge sur la batterie principale pour l'électronique ou la climatisation, et un toit solaire performant peut considérablement augmenter l'autonomie. Avec des surfaces limitées, l'efficacité de conversion énergétique doit être maximisée.
Cet engouement confirme l'intérêt pour les cellules tandem : des cellules solaires empilées pour surpasser l'efficacité des technologies individuelles. Les cellules à large bande interdite génèrent des tensions plus élevées, minimisant les pertes thermiques. Ainsi, les cellules tandem capturent plus efficacement les photons.
Une condition clé : le matériau supérieur doit être transparent à la lumière non convertie. Idéalement, chaque couche cible une partie distincte du spectre solaire – les courtes longueurs d'onde (bleu, vert) en haut, les longues (rouge, proche infrarouge) en bas, comme illustré en figure 1.
Fig. 1 : Schéma d'une cellule solaire tandem à bandes interdites descendantes. Les photons haute énergie sont captés en haut à plus haute tension ; les photons basse énergie traversent et sont absorbés en bas.
Les cellules tandem dominent déjà les applications spatiales, malgré leur complexité et coût élevés. Pour le marché terrestre, la production à grande échelle prime.
Le marché photovoltaïque est dominé par les cellules en silicium cristallin (c-Si). Ajouter un absorbeur économique comme la pérovskite sur c-Si réduit le coût nivelé de l'électricité (LCOE). L'essor des cellules pérovskite a levé les obstacles à cette combinaison.
La pérovskite, découverte en 1839 et nommée d'après le minéralogiste Lev Perovski, désigne aujourd'hui les composés de structure ABX3. Pour les cellules solaires, ce sont des halogénures hybrides : A (MA+, FA+, Cs+), B (Pb2+, Sn2+), X (I–, Br–, Cl–).
Les pérovskites excellent pour les tandems : minces, flexibles, semi-transparentes, haut rendement, bas coût (dépôt à température ambiante), et énergie de payback courte. Leur absorption optique élevée les rend idéales.
Leur bande interdite tunable (1,1 à 3,2 eV) via composition chimique est un atout majeur. Pour tandems c-Si/CIGS, 1,7-1,8 eV est optimal (fig. 2).
Fig. 2 : Variation iodure/bromure modifie la bande interdite, l'absorption et la couleur du film pérovskite.
Les cellules pérovskite simples atteignent >25 % PCE ; un tandem pérovskite/c-Si labo a frôlé 29,15 %. Chez EnergyVille/imec, un module tandem scalable (4 cm²) pérovskite/c-Si a atteint 25,3 % ; un autre pérovskite/CIGS booste l'efficacité (fig. 3).
Fig. 3 : Modules tandem 4 cm² scalables : (gauche) Pérovskite-Si ; (droite) Pérovskite-CIGS.
Ces résultats valident la pérovskite comme top-cell polyvalente.
Les designs initiaux sont 4-terminaux (sous-cellules isolées, 4 câbles) ou 2-terminaux (série, 2 câbles ; fig. 4). Les 4T maximisent les performances ; les 2T simplifient l'intégration.
Fig. 4 : Architectures tandem : (gauche) 4T isolé ; (droite) 2T série.
Les 4T excellent en labo mais coûtent plus ; les 2T, comme chez Oxford PV, remplacent facilement les panneaux existants.
Malgré les progrès PCE, défis persistent : métallisation, interconnexions, laminage adaptés aux pérovskites fragiles. EnergyVille/imec avance via R&D (fig. 5) : d'abord véhicules (>230 W/m² vs 190 actuels), puis BIPV, utility-scale.
Fig. 5 : Feuille de route : du PV véhicule au utility-scale.
Potentiel aussi pour power-to-molecule (H2, projet PROCURA).
Conclusion
Les pérovskites ouvrent la voie aux tandems low-cost surpassant c-Si/CIGS. EnergyVille/imec industrialise via processus scalables pour un marché rapide.
Suivez notre webinaire sur les pérovskites pour panneaux solaires durables, abordables et efficaces. Orateurs : Tom Aernouts (EnergyVille/imec), Bart Vermang (EnergyVille/UHasselt). Modérateur : Ronnie Belmans (EnergyVille/KU Leuven).
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