D’après pv magazine international.
Un groupe de scientifiques dirigé par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) du ministère américain de l’énergie a établi un nouveau record mondial de rendement pour une cellule solaire à éclairage normal sans dispositif de concentration. Leur cellule basée sur trois couches de matériaux III-V a en effet atteint une efficacité de conversion de 39,5 % – dépassant ainsi le précédent record du NREL à 39,2 %.
Le groupe de recherche a d’ailleurs pu simplifier considérablement le dispositif en utilisant trois jonctions au lieu des six précédentes, en recourant à diverses innovations intervenues depuis au cours des dernières années. Pour mémoire, le précédent record pour une cellule solaire à triple jonction avait été établi par Sharp Corporation en 2013, avec un taux de conversion de 37,9 %.
La cellule est décrite en détail dans l’article « Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices », récemment publié dans Joule. Le groupe a combiné des couches de gallium-indium-arsenide (GaInAs), d’arséniure de gallium (GaAs) et de gallium-indium-phosphide (GaInP) pour créer un dispositif capable d’absorber un large segment du spectre solaire.
La clé de cette approche réside dans les derniers travaux du NREL sur les « puits quantiques », qui lui ont permis de mieux calibrer chaque couche pour absorber une partie différente du spectre solaire. « Bien que le GaAs soit un excellent matériau et qu’il soit généralement utilisé dans les cellules à multijonctions III-V, il n’a pas tout à fait la bonne bande interdite pour une cellule à trois jonctions, ce qui signifie que l’équilibre des photocourants entre les trois cellules n’est pas optimal », a déclaré Ryan France, scientifique principal et concepteur de cellules au NREL. « Ici, nous avons modifié la bande interdite tout en maintenant une excellente qualité de matériau en utilisant des puits quantiques, ce qui permet ce dispositif et potentiellement d’autres applications. »
Les puits quantiques sont de fines nanostructures insérées dans les couches de la cellule afin d’en modifier la bande interdite et autres caractéristiques. Ces puits quantiques ont permis au groupe d’augmenter la bande interdite de la couche centrale de la cellule GaAs, afin de stimuler sa performance et la calibrer avec les deux autres. Si le phénomène des puits quantiques n’est pas nouveau, les difficultés rencontrées pour travailler avec ce type de matériau à l’échelle du nanomètre ont, jusqu’à maintenant, limité ses bénéfices pratiques.
L’espace pour débouché
Le groupe a reconnu que, pour l’instant du moins, les processus et les matériaux sur lesquels il travaille pour ces cellules sont trop complexes et trop chers pour la plupart des applications solaires courantes. Bien que le NREL travaille sur différentes méthodes susceptibles de réduire radicalement ces coûts, pour l’instant, l’alimentation des satellites et d’autres technologies spatiales – où les contraintes d’espace font que le coût peut passer après l’efficacité – est la seule application vraisemblable pour tout type de cellule solaire basée sur ces matériaux « III-V », nommés d’après leur groupe dans le tableau périodique.
Le NREL a par ailleurs évalué ses cellules à puits quantiques à triple jonction sous le spectre de lumière auquel elles seraient exposées hors de l’atmosphère terrestre, et a obtenu une valeur initiale de 34,2 %. Selon le NREL, il s’agit également d’un record mondial pour une cellule à triple jonction sous ce spectre.
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