Des cellules solaires tandem pérovskite-CIGS disposent du potentiel technique pour atteindre un rendement de 26,69 %

Une équipe de chercheurs américano-néerlandaise a réalisé des simulations optiques et électriques pour comprendre les mécanismes de pertes dans les cellules tandem à 2 terminaux (2T) à base de pérovskite et de cellules solaires CIGS (mélange de cuivre, de gallium, d’indium et de sélénium) disponibles dans le commerce. Ils ont ensuite élaboré une feuille de route pour améliorer leur rendement grâce à quatre modifications clé.

juillet 30, 2024 Valerie Thompson

Structures schématiques de cellules pérovskite et CIGS à jonction unique, ainsi que des cellules solaires tandem pérovskite/CIGS

Image : Delft University of Technology, Solar Energy Materials and Solar Cells, Common License CC BY 4.0

D’après pv magazine international.

Sous la houlette de l’Université de Technologie de Delft, aux Pays-Bas, une équipe de chercheurs a élaboré une feuille de route pour l’optimisation des cellules solaires tandem pérovskite/CIGS monolithiques. D’après leurs travaux, ces dispositifs PV pourraient, dans la pratique, atteindre un rendement plafond de 26,69 %.

À l’aide de TCAD Sentaurus et du logiciel de modélisation GenPro4, les scientifiques ont effectué des simulations optiques et électriques des matériaux et des interfaces utilisés dans ce type de cellules solaires tandem, afin de mieux comprendre les mécanismes de pertes et de définir une série de mesures visant à améliorer leur efficacité.

Les résultats ont ensuite été calibrés en comparant des appareils simulés à trois dispositifs expérimentaux : une cellule solaire tandem pérovskite/CIGS ; une cellule solaire pérovskite à jonction unique ; et une cellule solaire CIGS à jonction unique fournie par Miasolé.

« Cette plateforme de simulation est couramment utilisée dans la recherche et développement des semiconducteurs, ainsi que dans la recherche sur les couches minces et le PV. La sous-cellule CIGS était basée sur un dispositif industriel à la pointe de la technologie », a indiqué Paul Procel-Moya, chercheur à l’Université de Delft, à pv magazine.

L’équipe précise que ses travaux dans ce domaine se distinguent d’autres études numériques car ils se focalisent sur les mécanismes de fonctionnement fondamentaux des couches constituant la jonction de recombinaison tunnel (tunnel recombination junction – TRJ) et sur le calcul des pertes liées au couplage.

L’étude a notamment porté sur l’examen de l’alignement énergétique dans les couches du TRJ afin de mettre au jour l’impact de la cellule solaire de base sur des paramètres externes, les mécanismes d’échange entre les cellules supérieure et inférieure et les répercussions sur la performance globale du système tandem.

« En nous appuyant sur les principales conclusions, nous proposons une feuille de route réaliste pour l’amélioration de la cellule tandem solaire », déclare Paul Procel-Moya en présentant une stratégie en quatre points. « Lors de la simulation, nous avons observé que la première étape doit porter sur l’affinage de la jonction tunnel de couplage entre les deux cellules. Il s’agit du premier point problématique. »

En premier lieu, il faut donc améliorer et optimiser l’alignement énergétique au niveau du TRJ. Ensuite, il convient d’améliorer la gestion de la lumière en minimisant le déséquilibre actuel entre les sous-cellules et en réduisant les pertes par réflexion, par exemple en ajustant l’épaisseur de la pérovskite et de la métallisation. La troisième étape consiste à améliorer le transport vers la couche de transport en oxyde d’étain de la cellule supérieure. À elle seule, cette étape pourrait, d’après les estimations des chercheurs, faire passer le rendement de 24,37 à 25,13 %. Enfin, la quatrième amélioration vise à augmenter la passivation de la sous-cellule supérieure.

Les chercheurs ont calculé qu’avec ces modifications, la cellule tandem de référence pourrait atteindre un rendement de 26,69 %. Ils pensent en outre que des « gains de rendement de conversion supplémentaires sont possibles » si certains éléments de la cellule inférieure sont améliorés, par exemple l’énergie de la bande interdite de l’absorbeur et la passivation de l’interface des couches en CIGS et molybdène.

Les retours que Paul Procel-Moya a reçus de la part d’autres chercheurs menant eux aussi des essais en laboratoire ont confirmé que la piste du TRJ était bonne. Pour l’avenir, l’équipe de chercheurs va poursuivre ses recherches sur la physique des semiconducteurs PV et des couches minces en axant ses travaux sur la stabilité, à travers l’étude de la polarisation inverse au niveau théorique.

Ces travaux sont détaillés dans l’article Opto-electrical modelling and roadmap for 2T monolithic Perovskite/CIGS tandem solar cells, paru dans Solar Energy Materials and Solar Cells. L’équipe est composée de chercheurs travaillant pour différentes institutions néerlandaises (Université de Technologie de Delft, Université de Twente, Université de Technologie d’Eindhoven, Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique appliquée (TNO)) et l’entreprise MiaSole Hi-Tech Corp installée aux États-Unis.

Traduit par Christelle Taureau.

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