L'énergie solaire à la croisée des chemins : la révolution du Tandem

Selon l'Agence internationale de l'énergie, les ajouts de capacité photovoltaïque solaire ont augmenté de façon exponentielle au cours de la dernière décennie, en raison de la réduction spectaculaire des coûts de fabrication et d'installation. Pourtant, même avec ce déploiement rapide, les cellules solaires conventionnelles en silicium approchent de leur plafond d'efficacité fondamentale. Les cellules en silicium monojonction sont théoriquement limitées à environ 29 % d'efficacité dans des conditions d'essai standard, et les modules commerciaux fonctionnent généralement bien en dessous de ce seuil. Ce goulot d'étranglement de l'efficacité a stimulé des recherches intensives sur les architectures de prochaine génération qui peuvent extraire plus d'énergie de la même empreinte de l'espace terrestre ou du toit. Les technologies des cellules Tandem représentent la voie la plus prometteuse pour briser ce plafond, combinant de multiples couches absorbant la lumière pour capturer une plus grande partie du spectre solaire.

Quelles sont les technologies de cellules Tandem?

Les cellules solaires Tandem, également appelées cellules multi-jonction, empilent deux couches ou plus d'absorbeur photovoltaïque sur les unes des autres. Chaque couche est conçue pour absorber une partie spécifique du spectre solaire, convertissant les photons à différents niveaux d'énergie en courant électrique. Dans une cellule mono-jonction, les photons avec de l'énergie sous le bandgap du matériau passent sans être absorbés, tandis que les photons avec de l'énergie significativement au-dessus du bandgap génèrent de la chaleur excessive par un processus appelé thermoisation. Les architectures Tandem réduisent les pertes en répartissant le spectre entre plusieurs absorbeurs, chacun étant réglé à une énergie différente de bandgap. Cette conception réduit considérablement les pertes de thermalisation et augmente l'efficacité théorique maximale à plus de 45 % pour les dispositifs à deux-jonctions et au-delà de 50 % pour les configurations à trois-jonctions.

La physique derrière les architectures de Tandem

La compréhension de l'efficacité des cellules tandem exige un bref examen de la thermodynamique de la conversion photovoltaïque. L'efficacité d'une cellule solaire est fondamentalement limitée par la limite Shockley-Queisser, qui définit l'efficacité théorique maximale pour une jonction p-n unique sous un soleil non concentré. Cette limite découle du compromis entre tension et courant : un matériau à large bande produit une tension plus élevée mais absorbe moins de photons, tandis qu'un matériau à bande étroite absorbe plus de photons mais génère une tension plus faible. Les cellules Tandem contournent ce compromis en utilisant plusieurs jonctions reliées en série ou indépendamment, permettant à chaque sous-cellule de fonctionner près de son propre bandeau optimal. La cellule supérieure capture des photons de haute énergie et génère une tension élevée, tandis que la cellule inférieure absorbe des photons de basse énergie qui traversent la couche supérieure. Les interconnections optiques et électriques entre les couches assurent que les courants de courant se produisent efficacement sans pertes significatives de recombinaison.

Combinaisons de matériaux qui stimulent l'innovation

La configuration de tandem la plus étudiée combine le silicium cristallin et les matériaux perovskite. Les Perovskites sont devenus des partenaires de haut niveau idéals pour le silicium, car leur bandgap peut être réglé sur une large gamme en ajustant la composition chimique, généralement de 1,5 à 2,3 volts d'électrons. Cette thonabilité permet aux chercheurs de correspondre au bandgap perovskite pour compléter le bandgap 1.1 eV du silicium, maximisant la couverture spectrale combinée. Les tandems Perovskite-silicon ont déjà démontré des rendements certifiés supérieurs à 33 %, une réalisation remarquable, étant donné que la recherche perovskite n'a commencé qu'à sérieusement se faire aux alentours de 2010.

Avantages des technologies de cellules Tandem

L'avantage fondamental des cellules en tandem est simple : elles convertissent plus de lumière solaire en électricité que les cellules conventionnelles. Cependant, les avantages pratiques dépassent largement le nombre d'efficacité imprimé sur une fiche de données. Une efficacité plus élevée se traduit directement par des coûts réduits de balance des systèmes, car moins de panneaux, moins de matériel de montage et des cycles de câblage plus courts sont nécessaires pour obtenir une puissance donnée. Pour les exploitations solaires à échelle de services publics, cela peut réduire le coût de l'électricité en réduisant l'acquisition de terrains, la préparation du site et le travail d'installation.

Étapes clés de l'efficacité des dossiers

En 2015, les tandems perovskite-silicon ont atteint environ 13% d'efficacité. En 2020, ce nombre avait grimpé au-dessus de 29% et en 2023, les chercheurs du Helmholtz-Zentrum Berlin ont déclaré une efficacité certifiée de 33,3% pour un dispositif de tandem perovskite-silicon. Entre-temps, les cellules multi-jonction III-V sous soleil concentré ont atteint 47,6% d'efficacité dans le laboratoire, et les tandems tout-perovskite ont dépassé 28%. Ces étapes ne sont pas seulement des curiosités académiques; elles représentent des progrès réels vers des appareils qui peuvent surpasser de manière substantielle les meilleures cellules de silicium mono-jonction. Le Solar Energy Technologies Office du département américain de l'énergie a fixé un objectif de 30 % d'efficacité de module pour les technologies tandem d'ici 2035, objectif que de nombreux chercheurs croient réalisables compte tenu de la trajectoire actuelle.

Avantages économiques dans toute la chaîne de valeur

Bien que les cellules tandem soient intrinsèquement plus complexes et coûteuses à fabriquer que les cellules en silicium standard, leur efficacité plus élevée peut compenser cette prime de coût par de multiples mécanismes. Premièrement, une efficacité plus élevée des modules réduit le nombre de modules requis pour une taille donnée du système, réduisant le coût des supports, des câbles, des boîtes de mélange et d'autres composants structurels. Deuxièmement, les coûts de main-d'oeuvre d'installation s'évaluent à peu près avec le nombre de modules manipulés, donc moins de panneaux signifient des installations plus rapides et moins coûteuses. Troisièmement, les coûts liés à la terre, y compris la préparation du site, la location et la délivrance de permis, sont réduits parce que moins de terres sont nécessaires pour produire la même quantité d'électricité. Quatrièmement, l'amélioration des performances dans des conditions de faible luminosité peut prolonger la fenêtre de production quotidienne, augmentant le rendement énergétique total par watt installé.

Performance dans les conditions du monde réel

Les cellules Tandem offrent des avantages tangibles dans ce contexte, car leur architecture multicouche permet une plus grande résilience aux variations spectrales. Lorsque le soleil est bas à l'horizon le matin ou le soir, le spectre solaire se déplace vers des longueurs d'onde plus longues, réduisant ainsi la production de cellules conventionnelles en silicium. Les cellules Tandem peuvent, en revanche, maintenir une performance relative plus élevée parce que la sous-cellule inférieure continue d'absorber efficacement ces photons à déplacement rouge. De même, les jours nuageux où la lumière diffuse domine, la capture spectrale plus large des cellules tandem contribue à la production d'énergie. La stabilité de la température est un autre avantage : les perovskites ont un coefficient de température plus faible que le silicium, ce qui signifie que leur efficacité diminue lorsque la cellule se réchauffe sous un soleil fort.

Défis à relever face aux cellules solaires Tandem

Malgré leur extraordinaire promesse, les cellules tandem doivent surmonter des obstacles considérables avant de pouvoir adopter largement le commerce.Les défis les plus critiques sont la stabilité des matériaux, l'évolutivité de la fabrication et la compétitivité des coûts.Pour résoudre ces problèmes, il faut coordonner les efforts dans les domaines de la science des matériaux, de l'ingénierie des procédés et de la conception des produits, ainsi que des investissements soutenus des organismes de recherche publics et de l'industrie privée.

Stabilité et durabilité des matériaux

Les perovskites sont des composés ioniques qui peuvent se dégrader par des changements de phase, la migration des ions ou la réaction avec des contaminants environnementaux. Les dispositifs perovskites précoces souffrent d'une défaillance catastrophique en quelques minutes ou en quelques heures de fonctionnement, et bien que les techniques d'encapsulation et l'ingénierie de composition aient considérablement amélioré leur durée de vie, la stabilité commerciale reste non prouvée. Les normes de la Commission électrotechnique internationale pour les modules photovoltaïques exigent l'adoption de tests thermiques humides rigoureux, le cycle thermique et l'exposition aux UV, des conditions qui ont dégradé rapidement les films perovskites. Les chercheurs explorent diverses stratégies pour remédier à ces faiblesses, y compris les couches de captage des perovskites bidimensionnelles, les additifs moléculaires qui présentent des défauts de passivation et les matériaux d'encapsulation avancés qui bloquent l'infiltration d'humidité.

Complexité et scalabilité de la fabrication

La fabrication de cellules solaires en silicone est une industrie mature et hautement optimisée avec des procédés et des équipements normalisés. Les cellules tandem nécessitent des étapes de dépôt supplémentaires pour les couches cellulaires supérieures, ainsi que l'alignement de précision et l'interconnexion entre les sous-cellules. Pour les couches perovskite, les techniques de dépôt telles que le travail de revêtement par spin en laboratoire, mais ne sont pas facilement éparpillées à grande surface, production à haut débit. Le revêtement par slot, le dépôt de vapeur chimique et l'évaporation thermique sont parmi les méthodes mises au point pour la fabrication à l'échelle commerciale, chacune avec ses propres compromis en coûts, uniformité et densité de défaut. Les couches d'oxyde conducteur transparentes qui servent de contacts intermédiaires entre les sous-cellules doivent également être optimisés avec soin pour minimiser les pertes optiques tout en maintenant une bonne conductivité électrique.

Obstacles aux coûts et accès au marché

Même si les défis techniques sont résolus, les cellules en tandem doivent faire concurrence aux modules en silicium classiques qui vendent actuellement moins de 0,20 $ le watt. La complexité de fabrication et les coûts de production des cellules en tandem augmentent intrinsèquement leur coût de production. Les précurseurs en Perovskite sont relativement peu coûteux en petites quantités, mais le coût des précurseurs à grande pureté à l'échelle, ainsi que le coût des équipements de dépôt sous vide, peuvent ajouter beaucoup à la facture des matériaux. De plus, le rendement et le rendement des nouveaux procédés de fabrication seront initialement inférieurs à ceux des lignes en silicium établies, ce qui augmentera encore les coûts unitaires. Pour atteindre la pénétration du marché, les modules en tandem devront obtenir une prime de prix justifiée par leur efficacité et leur rendement énergétique plus élevés, mais cette prime doit être suffisamment modeste pour que les propriétaires de systèmes puissent encore réaliser un rendement favorable sur l'investissement.

Paysage de la recherche et du développement

Les universités, les laboratoires nationaux et les centres de R-D d'entreprises du monde entier se consacrent à la découverte de matériaux fondamentaux, à la physique des appareils et à l'ingénierie des procédés. Les principales initiatives de financement, notamment le programme Horizon Europe de l'Union européenne et le Solar Energy Technologies Office du Département de l'énergie des États-Unis, ont alloué des ressources considérables pour accélérer le développement de cellules tandems.

Les Tandems de Perovskite-Silicon : le principal conteur

Les tandems Perovskite-silicon ont attiré le plus d'attention et d'investissement parmi les technologies tandems, pour une bonne raison. Ils tirent parti de l'infrastructure existante de fabrication de silicium, qui produit déjà des centaines de gigawatts de cellules solaires chaque année, tout en ajoutant une cellule supérieure perovskite relativement fine qui peut être déposée à basse température. La couche perovskite peut être adaptée pour absorber les photons bleus, verts et rouges tout en transmettant des photons infrarouges à la cellule inférieure de silicium. Les progrès récents dans la transmission de l'interface entre la couche perovskite et la couche transport électronique ont amélioré de façon significative la tension en circuit ouvert et le facteur de remplissage, poussant l'efficacité des appareils à 33 %.

Tandems tout-perovskite: flexibilité et faible coût

Cette architecture offre plusieurs avantages : l'ensemble du dispositif peut être fabriqué à l'aide de procédés à basse température basés sur des solutions sur des substrats flexibles, ouvrant la porte à la production de rouleaux à très haut débit. Des modules de tandem flexibles pourraient être intégrés dans des matériaux de construction, des surfaces de véhicules ou des chargeurs portables, créant des marchés que les modules de silicium rigide ne peuvent servir. Cependant, obtenir une grande efficacité dans les tandems de tandem tout-perovskite est difficile parce que la couche de tandem à bande étroite est généralement basée sur des mélanges de plomb-étain, qui sont plus difficiles à traiter et plus sujets à l'oxydation que leurs homologues de plomb. Les chercheurs ont fait des progrès constants dans l'optimisation de la composition et de la morphologie de ces tandem à bande étroite perovskite, et l'efficacité certifiée pour les tandem à bande étroite a maintenant dépassé 28 %.

Cellules multi-fonctions III-V : Efficacité maximale à une prime

Les semi-conducteurs composés III-V, y compris l'arséniure de galle et le phosphure de galle indium, détiennent depuis longtemps les plus hautes performances pour toute technologie photovoltaïque. Ces matériaux ont des bandes directes et peuvent être cultivés avec une qualité cristalline presque parfaite à l'aide de techniques épitaxiques telles que l'épitaxie par faisceau moléculaire ou le dépôt de vapeur chimique métal-organique. Les cellules à triple jonction III-V sous le soleil concentré ont atteint des rendements approchant 50 %, et même sans concentration, leur efficacité dépasse celle de toute autre technologie. Toutefois, le coût élevé de la croissance épitaxiale sur les substrats monocristal a limité les cellules à III-V à des applications telles que l'énergie spatiale, où le poids et la fiabilité sont plus importants que les coûts, et les systèmes de concentrateur terrestre.

La voie de la commercialisation

La transition de la percée en laboratoire à un produit commercial est toujours difficile, et les cellules en tandem ne font pas exception. Cependant, l'industrie solaire a une solide expérience de l'échelle des nouvelles technologies, et plusieurs facteurs suggèrent que les cellules en tandem suivront une trajectoire similaire. Les premiers produits en tandem commerciaux devraient être des modules perovskite-silicion ciblant le segment haut de gamme du toit, où une efficacité plus élevée peut obtenir une prime de prix de 20-30% par rapport aux modules en silicium standard. À mesure que l'expérience de fabrication s'accumule et que les coûts diminuent, les modules en tandem se développeront probablement dans des installations commerciales et à l'échelle des services.

Conclusion

Les technologies des cellules tandem sont à la frontière de l'innovation solaire. En empilant plusieurs couches absorbant la lumière optimisées pour différentes parties du spectre solaire, ces appareils peuvent atteindre des gains d'efficacité que les cellules à simple jonction ne peuvent pas atteindre. Les avantages potentiels pour le coût, l'utilisation des sols et le rendement énergétique sont suffisamment importants pour justifier les efforts de recherche et d'ingénierie importants en cours. Les défis demeurent dans la stabilité matérielle, l'évolutivité de la fabrication et la compétitivité des coûts, mais le rythme des progrès donne lieu à un optimisme.