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Une cellule photovoltaïque à base de pérovskite bat un record de rendement

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Par publié le à 09h15

Une cellule photovoltaïque à base de pérovskite bat un record de rendement

La forme pyramidale du silicium est obtenue par attaque chimique. Le tout est ensuite recouvert de pérovskite par un procédé innovant.

Une cellule photovoltaïque composée d'une couche de pérovskite sur une autre de silicium a atteint un rendement de 25,2 %. Ce nouveau record a été établi grâce à un procédé de fabrication développé par des chercheurs de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne et du Centre suisse d'électronique et de microtechnique de Neuchâtel.

La cellule photovoltaïque à base de pérovskite poursuit son ascension dans la course au rendement. Le précédent record d’une cellule tandem à deux terminaux alliant une couche de silicium à un matériau pérovskite datait de février 2017 : il était de 23,6 %. Des chercheurs du PV-Lab de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) et du PV-Center du Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM) de Neuchâtel sont parvenus à faire mieux : le rendement de leur cellule a atteint 25,2 %. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Nature Materials le 11 juin 2018. A l’origine de ce rendement record, une amélioration du procédé de fabrication.

Le procédé utilisé part d’une couche de silicium classique. Sa surface est constituée d’un réseau de pyramides formées par une attaque chimique lors de sa fabrication. Pourquoi ces pyramides ? Elles limitent les réflexions de la lumière et la piègent pour augmenter l’efficacité de la cellule indique Florent Sahli, premier auteur de l’étude : « Les pyramides sont toujours présentes dans les cellules en silicium industrielles pour garantir des propriétés optiques optimales. »  Problème : dans le cas d’une cellule tandem, c’est-à-dire composée de deux couches de matériaux superposés, la pérovskite est généralement déposée au-dessus sous forme liquide et s’accumule dans les creux. Il arrive alors que les sommets des pyramides dépassent. Résultat : des court-circuits sont susceptibles de se produire. Pour y remédier, les pyramides étaient jusqu’à présent nivelées, ce qui leur faisait perdre leur pouvoir anti-réfléchissant.

Vers des méthodes compatibles avec l'industrie

C’est là qu’intervient l’innovation imaginée par les chercheurs de l’EPFL et du CSEM. Elle se décompose en deux étapes. La première consiste à co-évaporer une couche d’iodure de plomb et de bromure de césium pour tapisser les pyramides de manière uniforme. La seconde est une étape de « spin-coating » : un liquide contenant un composé organique est déposé sur le substrat en rotation rapide. Lors d’un recuit à 150 °C, les éléments déposés par évaporation et voie liquide réagissent et forment la phase active pérovskite. Pour finir, les couches qui permettent de créer les contacts pour extraire le courant fourni par la cellule sont déposées grâce à des procédés industrialisables. « Notre but est de n’utiliser que des méthodes de fabrication compatibles avec l'industrie, indique M. Sahli. C’est le cas, sauf pour le spin-coating. Remplacer cette étape est la suite de notre travail. »

La cellule tandem à base de pérovskite et de silicium constitue une piste intéressante pour obtenir des rendements au-delà de 30 %. « C’est clairement faisable expérimentalement », affirme M. Sahli. L’architecture de ces cellules permet de limiter les pertes en superposant deux couches de matériaux qui absorbent la lumière dans des longueurs d’onde différentes. Dans le cas des cellules alliant silicium et pérovskite, cette dernière absorbe les photons les plus énergétiques. Ceux qui le sont moins la traversent et sont absorbés par la couche de silicium située en dessous.

Augmenter la taille et la stabilité des cellules

Ces deux couches peuvent être fabriquées séparément ou ensemble. On parle alors respectivement de cellules à quatre ou à deux terminaux. Dans le premier cas, chaque couche a un contact supérieur et un contact inférieur pour extraire les électrons produits. Le rendement record obtenu dans cette configuration atteint 26,7 %. « Si ces cellules ont l’avantage de pouvoir être fabriquées et contactées séparément, sans se perturber l’une et l’autre, elles présentent des inconvénients, assure M. Sahli. Elles nécessitent plus d'électronique de puissance et des lignes de production différentes pour chaque cellule. »

Les chercheurs de l’EPFL et du CSEM ont donc opté pour une cellule à deux terminaux. Les couches de silicium et de pérovskite sont fabriquées ensemble, collées l’une sur l’autre. Il n’y a alors plus qu’un contact sous le silicium et un autre sur la pérovskite. « Si la connexion des couches en série limite l’efficacité de la cellule, cette architecture à deux terminaux a plus de sens d’un point de vue commercial, assure Florent Sahli. En effet, en ajoutant quelques étapes à une ligne de production actuelle de cellules en silicium, on peut obtenir une cellule 20 % plus efficace pour un coût relativement similaire. »

Autres améliorations envisagées : améliorer la stabilité de la cellule et augmenter sa taille. Elle ne fait pour l’instant que 1,4 cm². L’objectif est d’être capable de la déposer sur un wafer classique de 6 pouces, soit 240 cm². « C'est possible, mais cela nécessite des développements considérables, conclut M. Sahli. Nous sommes encore sur une preuve de concept. »

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