Silicium

May 16, 2023

Prospectif : Les cellules solaires traditionnelles sont basées sur un composé semi-conducteur de silicium, connu pour avoir une efficacité maximale théorique de 29 % dans la conversion de la lumière solaire en énergie électrique. Cependant, en incorporant une deuxième couche de pérovskite sur la couche de silicium de base, les cellules solaires ont le potentiel de dépasser ce seuil d'efficacité dans un avenir proche.

La pérovskite est une classe de composés qui partagent la même structure cristalline que le minéral oxyde de calcium et de titane. Ce matériau très flexible est utilisé dans diverses applications, notamment les appareils à ultrasons, les puces mémoire et les cellules solaires pour la production d'électricité. Des études récentes suggèrent que la pérovskite pourrait être la « sauce secrète » pour propulser l'industrie des cellules solaires vers de nouveaux niveaux d'efficacité de production d'électricité.

La technologie actuelle des cellules solaires approche rapidement de son niveau d’efficacité maximum, mais elle reste encore en deçà de ce qui est nécessaire pour que l’énergie solaire soit un facteur d’atténuation significatif contre le réchauffement climatique. Les scientifiques affirment que l’efficacité doit dépasser 30 pour cent et que le taux d’installation de nouveaux panneaux solaires doit être multiplié par dix par rapport aux niveaux d’adoption actuels.

En ajoutant une couche supplémentaire de pérovskite sur une base de silicium, toutes deux possédant des propriétés semi-conductrices, la quantité d'énergie captée par la lumière du soleil peut être améliorée. La couche de silicium capte les électrons de la lumière rouge, tandis que la couche de pérovskite capte la lumière bleue. L’amélioration de la capacité d’absorption d’énergie entraînera une réduction du prix global de l’énergie solaire, permettant ainsi un déploiement et une adoption plus rapides des panneaux solaires.

Les scientifiques ont passé des années à développer une technologie efficace de cellules solaires à base de silicium-pérovskite, et il semble que 2023 marquera une étape importante dans ce domaine. Les récents progrès de la recherche ont permis de pousser l’efficacité des cellules tandem silicium-pérovskite au-delà de 30 %. Le rythme des progrès est si rapide que cette technologie démontrera bientôt ses capacités accrues dans les produits disponibles dans le commerce.

Stefaan De Wolf, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah en Arabie saoudite, estime que 2023 apportera des progrès significatifs. L'équipe de De Wolf a déjà atteint un niveau d'efficacité de 33,7 pour cent dans une cellule solaire au silicium-pérovskite, mais leurs travaux doivent encore être publiés dans des revues scientifiques.

Un autre groupe, dirigé par Steve Albrecht du Centre Helmholtz de Berlin pour les matériaux et l'énergie en Allemagne, a récemment publié une étude sur une cellule tandem silicium-pérovskite capable d'atteindre des rendements de conversion d'énergie allant jusqu'à 32,5 %. Un troisième groupe dirigé par Xin Yu Chin de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, en Suisse, a démontré un niveau d'efficacité de 31,25 pour cent avec des cellules tandem présentant « le potentiel à la fois d'un rendement élevé et de faibles coûts de fabrication ».

Selon De Wolf, dépasser le seuil de 30 % d'énergie donne confiance dans le fait que « des photovoltaïques à haute performance et à faible coût peuvent être mis sur le marché ». La capacité d’énergie solaire a atteint 1,2 térawatts (TW) en 2022, et elle doit augmenter jusqu’à au moins 75 TW d’ici 2050 pour atténuer les scénarios les plus catastrophiques liés au réchauffement climatique et aux gaz à effet de serre.

L'industrie commerciale travaille activement à l'amélioration de l'efficacité des cellules solaires. Le plus grand fabricant chinois (LONGi) a déjà atteint une efficacité de 33,5 % en laboratoire. La prochaine étape consiste à augmenter la taille des cellules tandem silicium-pérovskite efficaces, des conditions expérimentales (carrés de 1 cm) aux caractéristiques de niveau commercial (carrés de 15 cm). De Wolf se dit convaincu que nous atteindrons cet objectif le plus tôt possible.