La pérovskite est un matériau prometteur pour fabriquer des cellules solaires de haute qualité. Ils peuvent être transformés en modules minces, légers et transparents qui peuvent atteindre une efficacité énergétique élevée, sont peu coûteux à fabriquer et ont une grande capacité d'absorption de la lumière du soleil.
Parce qu'elles peuvent être rendues semi-transparentes, les cellules solaires en pérovskite peuvent également être placées sur des cellules solaires en silicium traditionnelles. Ces cellules tandem ont un énorme potentiel pour augmenter l'efficacité des panneaux solaires et pourraient même s'avérer être l'approche la plus rentable pour améliorer encore l'efficacité du photovoltaïque.
Notre mobilité évolue rapidement. Les vélos et scooters électriques sont déjà pleinement présents dans les rues et les voitures hybrides et électriques gagnent rapidement des parts de marché. Cela crée un fort intérêt de la part de l'industrie automobile pour intégrer des cellules solaires dans le toit ou d'autres pièces automobiles. Non seulement cela signifie que l'électronique automobile ou la climatisation ont besoin de moins d'énergie de la batterie principale, mais un toit ouvrant très efficace peut également permettre une autonomie beaucoup plus grande. Avec la surface limitée disponible sur la voiture, l'efficacité de conversion énergétique du panneau solaire intégré doit être optimisée au maximum.
Cela confirme l'intérêt croissant pour les cellules tandem :Il s'agit de cellules solaires fabriquées en empilant deux cellules ou plus les unes sur les autres pour obtenir une efficacité supérieure à celle des technologies individuelles combinées. Étant donné que les cellules solaires avec des photoabsorbeurs à bande interdite plus large génèrent des tensions plus élevées, les pertes de chaleur dans les cellules solaires en tandem sont considérablement réduites par rapport aux cellules solaires traditionnelles qui absorbent le même nombre de photons. L'efficacité des cellules tandem est donc beaucoup plus élevée.
Une exigence évidente est que le matériau supérieur de la cellule soit transparent à la lumière qu'il ne convertit pas en énergie électrique. Un coup de pouce supplémentaire est donné si les matériaux du tandem sont chacun sensibles à une partie différente du spectre lumineux, de sorte qu'ils ne recherchent pas le potentiel de conversion de l'autre. Le matériau qui capture les longueurs d'onde les plus courtes (par exemple, le bleu et le vert) sera alors sur le dessus, tandis que le matériau du bas convertit les longueurs d'onde plus longues (par exemple, le rouge et le proche infrarouge), comme le montre la figure 1.
Fig. 1 :Schémas d'une cellule solaire en tandem composée de deux cellules solaires avec des énergies de bande interdite descendantes. Les photons incidents avec des énergies supérieures à la bande interdite de la cellule solaire supérieure sont récoltés à une tension plus élevée par la cellule solaire supérieure avec une bande interdite supérieure. Les photons de faible énergie (longueur d'onde plus longue) traversant la cellule solaire supérieure sont récoltés par la cellule solaire inférieure.
Les cellules solaires tandem sont déjà largement utilisées pour les applications spatiales aujourd'hui. De telles cellules solaires en tandem ont une grande complexité et sont trop coûteuses pour être fabriquées à grande échelle. Pour les applications commerciales, les coûts de production ont un impact majeur sur le degré de mise en œuvre.
Actuellement, le marché du PV est dominé par les cellules solaires en silicium cristallin (c-Si). L'ajout d'un absorbeur bon marché au-dessus du c-Si, résultant en une cellule solaire tandem très efficace, est une voie prometteuse pour réduire encore plus le coût actualisé de l'électricité (LCOE). Jusqu'à il y a quelques années, on manquait de cellules solaires efficaces et peu coûteuses pouvant être utilisées en tandem avec les technologies photovoltaïques existantes. Cependant, l'avènement des cellules solaires à pérovskite et leur croissance rapide ont considérablement changé cette impasse.
La pérovskite, un minéral contenant du titanate de calcium (CaTiO3), a été découverte en 1839 et porte le nom du minéralogiste russe Lev Perovski. Aujourd'hui, le terme pérovskite est utilisé pour désigner tous les composés ayant une structure cristalline similaire à CaTiO3. La formule chimique générique des pérovskites est ABX3, où A et B sont des ions chargés positivement de différentes tailles et X est un ion chargé négativement. Selon le choix des ions A, B et X, les pérovskites peuvent être des isolants, des semi-conducteurs, des conducteurs ou des supraconducteurs. Les pérovskites utilisées dans les cellules solaires sont des semi-conducteurs cristallins appelés pérovskites aux halogénures métalliques hybrides. Dans de telles pérovskites, la position A est généralement occupée par le méthylammonium monovalent CH3NH3+ (MA) ou le formamidinium CH(NH2)2+ (FA) ou le césium (Cs+), ou une combinaison de ceux-ci. Le site B est occupé par du plomb bivalent (Pb2+) ou de l'étain (Sn2+), ou un mélange des deux. La position X est réservée aux halogénures, tels que l'iodure (I–), le bromure (Br–) ou le chlorure (Cl–), ou un mélange de ceux-ci.
Les pérovskites sont un matériau prometteur pour fabriquer des cellules tandem de haute qualité. Ils peuvent être transformés en modules minces, flexibles et (semi) transparents qui peuvent atteindre une efficacité de conversion élevée. Ils sont peu coûteux à produire en raison des matériaux bon marché et du dépôt qui peut être effectué à température ambiante. Cela se reflète également dans une période de récupération énergétique qui pourrait être jusqu'à dix fois plus courte que les modules PV Si industriels actuels. Les pérovskites pour cellules solaires ont une absorption optique élevée avec un début net pour la lumière visible. D'où un match parfait pour les cellules tandem.
En plus du faible prix de revient et de la grande flexibilité, les pérovskites sont également très intéressantes en raison de leur accordabilité de bande interdite. La bande interdite de la plupart des pérovskites peut être facilement ajustée en modifiant leur composition chimique, généralement l'anion; le remplacement des ions modifie la taille du réseau cristallin de pérovskite, modifiant la bande interdite. Cette propriété intéressante permet la fabrication de pérovskites avec des bandes interdites de 1,1 à 3,2 eV, comme le montre la figure 2. Les pérovskites les plus couramment utilisées pour les cellules solaires à haut rendement ont une bande interdite d'environ 1,6 eV. Pour les applications en tandem avec c-Si et cuivre indium gallium séléniure (CIGS), les bandes interdites de pérovskite entre 1,7 et 1,8 eV sont particulièrement intéressantes.
Fig. 2 :La variation de la composition, ici le rapport iodure/halogénure de bromure, a pour conséquence de modifier la largeur de la bande interdite et donc le bord d'absorption et la couleur du film de pérovskite
Alors que les cellules à pérovskite à jonction unique ont rapporté une efficacité de conversion d'énergie (PCE) de plus de 25 %, un résultat en tandem a récemment été montré avec une cellule à pérovskite au-dessus d'une cellule inférieure en silicium avec une efficacité de 29,15 %. Cela confirme le grand potentiel d'une telle technologie en tandem pour dépasser de manière significative les limites d'efficacité des cellules PV à jonction unique. Cependant, ce résultat a été obtenu par des procédés de laboratoire sur une surface de 1 cm 2 et posé sur une cellule en silicium à face avant polie. Cela inclut des étapes supplémentaires fastidieuses et chronophages qui ne sont pas compatibles avec la fabrication industrielle à haut débit.
Chez EnergyVille / imec, un panneau solaire tandem entièrement évolutif avec un panneau solaire méthylammonium-plomb-triiodure-perovskite a été annoncé en 2018, empilé sur une cellule solaire c-Si à contact arrière mutuellement numérisée en bas. Les deux appareils ont une ouverture identique de 4 cm² (Fig. 3 ci-dessus). Avec une combinaison d'électrodes transparentes optimisées et une conception de module efficace, ce panneau solaire tandem a présenté une efficacité de conversion d'énergie de 25,3 %. Plus tard, un autre module tandem de pérovskite a été produit, cette fois empilé sur un module CIGS (Fig. 3 à droite), pour augmenter l'efficacité de la jonction unique de plusieurs pour cent. Ce travail a été réalisé en collaboration avec l'un des leaders mondiaux de la technologie CIGS, le Zentrum für Solare Energiewirtschaft (ZSW, Stuttgart, Allemagne).
Fig. 3 : Tandems avec espacement de 4 cm2 avec traitement à grande échelle pour les modules de pérovskite avant ; (à gauche) tandem Pérovskite-Si ; (à droite) Tandem Pérovskite-CIGS
Ces excellents résultats ont non seulement prouvé la valeur de la pérovskite en tant que matériau supérieur pour les cellules, mais ils indiquent également qu'en raison de ses caractéristiques et de sa flexibilité, la technologie de la pérovskite peut être utilisée pour amplifier pratiquement n'importe quel type de cellule solaire.
Les modules tandem initialement conçus et testés par EnergyVille / imec étaient appelés 4-termialmodules (Fig. 4, à gauche), où les deux sous-cellules du tandem étaient isolées électriquement et chacune avait son propre câblage. En conséquence, le produit fini comporte quatre fils électriques externes, nécessitant un convertisseur supplémentaire. Dans un module avec 2 terminaux (Fig. 4, à droite) les deux sous-cellules sont connectées électriquement en série et le module n'a que deux câbles terminaux, une configuration plus simple qui est la prochaine sur le programme d'optimisation.
Fig. 4 :Représentation schématique des deux principales architectures tandem étudiées aujourd'hui; (à gauche) Configuration à quatre bornes (4T) avec couche supérieure de pérovskite isolée électriquement et cellule inférieure en Si ; (à droite) configuration à deux bornes (2T) où les cellules du haut et du bas sont connectées électriquement en série.
Avec cette complexité supplémentaire, pourquoi choisiriez-vous une configuration à 4 bornes ? Principalement parce qu'il permet de tirer le meilleur parti des deux sous-cellules. Avec une disposition à 4 bornes, il est avantageux d'utiliser les meilleures cellules à jonction unique optimisées comme sous-cellule. Inversement, une configuration à 2 bornes nécessite que les courants correspondent dans la connexion en série.
En général, la différence d'efficacité entre les modules à 4 bornes et à 2 bornes n'est que faible lorsqu'elle est mesurée en laboratoire dans des conditions standardisées. En pratique, avec des conditions d'éclairage qui changent de minute en minute, la disposition à 4 bornes offre plus de potentiel pour générer une efficacité plus élevée. L'inconvénient, bien sûr, est le surcoût pour le câblage séparé, les onduleurs, les boîtes de jonction... Des entreprises comme la start-up Oxford PV ont déjà montré beaucoup d'intérêt pour la solution à 2 bornes, qui peut être assemblée en panneaux qui peuvent facilement remplacer l'actuel. remplacer les panneaux sans frais supplémentaires.
Malgré les progrès rapides du PCE pour ces technologies PV à 2 bornes, de nouveaux défis émergent déjà. Contrairement aux cellules cSi, les solutions de métallisation, d'interconnexion et de laminage des modules pour les cellules solaires tandem sont encore à un stade de R&D très précoce. Étant donné que les matériaux pérovskites ne peuvent pas résister aux mêmes contraintes mécaniques et thermiques que le silicium, de nouveaux matériaux et procédés doivent être développés pour garantir que des modules et panneaux complets peuvent être fabriqués avec des cellules tandem, sinon l'introduction sur le marché de cette nouvelle technologie PV ne se produira pas. Sur la base de la vaste connaissance d'EnergyVille et de l'imec en matière de technologie de modules, avec des processus de métallisation avancés et des voies d'interconnexion innovantes développées ces dernières années, nous avons établi une feuille de route comme le montre la figure 5 pour préparer les cellules et modules en tandem pour les prochains niveaux de technologie. Dans un premier temps, la feuille de route se concentre sur l'intégration des véhicules. Alors que les toits PV cSi actuels des voitures comme la Toyota Prius ont une densité de puissance inférieure à 190 W/m2, l'utilisation de tandems pérovskite sur cSi a le potentiel de dépasser 230 W/m2. Avec une fiabilité améliorée et une mise en œuvre à grande échelle, l'intégration du PV dans les bâtiments (par exemple les façades, les fenêtres, etc.) devient accessible. Une réduction supplémentaire des coûts apportera également un potentiel d'utilisation dans les fermes solaires et à l'échelle des services publics.
Fig. 5 :Notre feuille de route technologique pour préparer le produit de la technologie tandem dans les années à venir, pour divers domaines d'application, allant du PV intégré au véhicule au bâtiment (BIPV) au déploiement à l'échelle des services publics.
Enfin, la technologie tandem pourrait être d'une grande importance pour les applications power-to-molecule telles que la génération d'hydrogène. L'exploration de ce potentiel fait partie du projet PROCURA récemment lancé.
Conclusion
L'émergence récente des pérovskites en tant que matériau de cellule solaire a ouvert la voie au développement de systèmes photovoltaïques en tandem à faible coût. Bien qu'encore à petite échelle, l'énorme potentiel de ces technologies tandem a été démontré ces dernières années en combinant la pérovskite avec des technologies établies telles que cSi ou CIGS, produisant des rendements supérieurs à ceux des cellules solaires traditionnelles. Chez EnergyVille, nous avons aujourd'hui relevé le défi d'ouvrir la voie à une industrialisation efficace de ces tandems low-cost. Des processus évolutifs sont en cours de développement et l'intégration étape par étape dans des applications sélectionnées devrait accélérer le lancement sur le marché dans les années à venir.
Suite à cette conférence d'experts, nous avons également organisé un webinaire sur le rôle des pérovskites dans la réalisation de panneaux solaires plus durables, moins chers et plus efficaces. Les orateurs étaient Tom Aernouts (EnergyVille/imec) et Bart Vermang (EnergyVille/UHasselt). Ronnie Belmans (EnergyVille/KU Leuven) était modérateur.
Regardez également le webinaire en ligne !