Actualités

Publié le 3 novembre 2020

Des cellules solaires toujours plus fines

La diminution de l’épaisseur pourrait être un élément clé dans la quête de cellules solaires moins chères et plus efficaces. Réaliser des cellules solaires au moins 10 fois plus fines que celles commercialisées actuellement permettrait de faire des économies de matériau, de réduire le coût de fabrication des cellules, et faciliterait de nouveaux usages grâce à leur plus grande flexibilité. L’analyse de l’état-de-l’art sur les cellules solaires ultrafines menée par des chercheurs du CNRS (C2N, IPVF, et LAAS) et publiée dans Nature Energy le 2 novembre met en lumière le très fort potentiel des cellules solaires ultrafines, les défis à relever pour se rapprocher des limites théoriques, et les pistes les plus prometteuses.

 

La question de la production durable d’énergie est un enjeu sociétal majeur. Parmi les différentes sources d’énergie renouvelable, le solaire photovoltaïque - conversion de l’énergie solaire en énergie électrique - montre une forte croissance depuis plus de 10 ans. Cette croissance doit s’accélérer pour espérer atteindre les objectifs de la transition énergétique. Ainsi, dans les scénarios de développement durable de l’Agence Internationale de l’Energie (IEA), la part de la technologie photovoltaïque dans la génération d’électricité devrait passer de 6% en 2017 à plus de 21% en 2030. Pour y parvenir, il est nécessaire de poursuivre l’augmentation du rendement de conversion des cellules solaires mais également de réduire leur coût. La technologie photovoltaïque majoritaire sur le marché utilise le silicium comme matériau absorbant la lumière du soleil. Les modules atteignent un rendement de conversion moyen d’environ 20% avec des épaisseurs de la cellule de plus de 150 µm. Pourtant, une réduction de l’épaisseur d’un facteur 10 à 50 est à portée de main.

 

Dans un article de revue publié dans Nature Energy, des chercheurs du CNRS (C2N, IPVF, LAAS) mettent en lumière le dynamisme et la richesse des travaux de recherche dans le domaine des cellules solaires ultrafines. En émergeant il y a une dizaine d’années, ce domaine de recherche était initialement focalisé sur le piégeage de la lumière : une texturation à l’échelle sub-micrométrique permet d’augmenter le chemin optique, et donc l’absorption dans des couches très fines. Cependant, cette revue révèle que cette approche purement optique n’est pas suffisante : la réduction de l’épaisseur du matériau absorbeur remet en question l’architecture complète de la cellule solaire. Exploiter le potentiel des cellules solaires ultrafines nécessite une approche englobant les aspects de photogénération mais également de collection des porteurs, en particulier de la passivation des surfaces et la sélectivité des contacts. L’étude croisée des principales filières (silicium, arsenure de gallium, chalcogénures) permet d’identifier les stratégies les plus prometteuses pour lever les principaux verrous technologiques.

 

L’utilisation de couches ultrafines ouvre de nouvelles perspectives d’applications : leur plus grande flexibilité facilitera l’intégration du photovoltaïque aux bâtiments, sur les véhicules électriques et les drones, et leur plus grande résilience au bombardement de particules très énergétiques permettra d’augmenter la durée de vie des modules embarqués dans l’espace. Les performances actuelles sont encore très éloignées des limites théoriques mais les axes de recherche dessinés dans cette revue montrent que des solutions prometteuses sont à portée de main.

 

Référence

Massiot, I., Cattoni, A. et Collin, S. Progress and prospects for ultrathin solar cells. Nature Energy, publié en ligne le 2 novembre 2020.

DOI : https://doi.org/10.1038/s41560-020-00714-4

 

Contact scientifique

Stéphane Collin - stephane.collin@c2n.upsaclay.fr

Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay

Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France