L'Empa atteint des rendements record de 19.8 % pour l'éclairage avant et de 10.9 % pour l'éclairage arrière dans la cellule solaire CIGS bifaciale

Republié par Platon

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16 Décembre 2022

Les cellules solaires bifaciales à couches minces à base de diséléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS) peuvent collecter l'énergie solaire à la fois de leur face avant et de leur face arrière - et donc potentiellement produire plus d'électricité solaire que leurs homologues conventionnels. Jusqu'à présent, cependant, leur fabrication n'a conduit qu'à des efficacités de conversion d'énergie modestes. Une équipe des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux (Empa) vient de développer un nouveau procédé de production à basse température permettant d'obtenir des rendements record de 19.8 % pour l'éclairage avant et de 10.9 % pour l'éclairage arrière. De plus, ils ont également produit la première cellule solaire bifaciale en tandem pérovskite-CIGS, ouvrant la possibilité de rendements énergétiques encore plus élevés à l'avenir (SC Yang et al, 'Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 cellules solaires à couches minces pour applications flexibles et en tandem avec procédé à basse température assisté par argent », Nature Energy (2022); 21 novembre).

Si à la fois la lumière directe du soleil et sa réflexion (via la face arrière d'une cellule solaire) peuvent être captées, cela devrait augmenter le rendement énergétique produit par la cellule. Les applications potentielles sont, par exemple, le photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV), l'agrivoltaïque - l'utilisation simultanée de zones de terrain pour la production d'énergie photovoltaïque et l'agriculture - et les modules solaires installés verticalement ou à inclinaison élevée sur un sol à haute altitude. Selon l'International Technology Roadmap of Photovoltaics, les cellules solaires bifaciales pourraient conquérir une part de marché de 70% du marché global du photovoltaïque d'ici 2030.

Bien que les cellules solaires bifaciales basées sur des tranches de silicium soient déjà sur le marché, les cellules solaires à couches minces sont jusqu'à présent à la traîne. Ceci est, au moins en partie, dû à l'efficacité plutôt faible des cellules solaires bifaciales à couches minces CIGS, causée par un problème critique de goulot d'étranglement : pour que toute cellule solaire bifaciale puisse collecter la lumière solaire réfléchie à l'arrière, un système optiquement transparent le contact électrique est une condition préalable. Ceci est réalisé en utilisant un oxyde conducteur transparent (TCO) qui remplace le contact arrière opaque dans les cellules solaires conventionnelles - c'est-à-dire mono-faciales - en molybdène.

Formation d'oxyde nuisible

Les cellules solaires CIGS à haut rendement sont généralement produites par un procédé de dépôt à haute température, c'est-à-dire au-dessus de 550°C. A ces températures, cependant, une réaction chimique se produit entre le gallium (de la couche CIGS) et l'oxygène du contact arrière d'oxyde conducteur transparent. La couche d'interface d'oxyde de gallium qui en résulte bloque le flux de courant généré par la lumière du soleil et réduit ainsi l'efficacité de conversion d'énergie de la cellule. Les valeurs les plus élevées atteintes jusqu'à présent dans une seule cellule sont de 9.0 % pour la face avant et de 7.1 % pour la face arrière. «Il est vraiment difficile d'avoir une bonne efficacité de conversion d'énergie pour les cellules solaires avec des contacts conducteurs transparents à l'avant et à l'arrière», explique Ayodhya N. Tiwari, qui dirige le laboratoire Thin Film and Photovoltaics de l'Empa.

Les cellules solaires CIGS bifaciales sont constituées de couches très fines, seulement 3 µm au total pour les matériaux actifs. Déposée sur un contact électrique transparent, la couche polycristalline CIGS absorbe la lumière des faces avant et arrière. (Avec l'aimable autorisation de l'EMPA.)

Image : Les cellules solaires CIGS bifaciales sont constituées de couches très fines, seulement 3 µm au total pour les matériaux actifs. Déposée sur un contact électrique transparent, la couche polycristalline CIGS absorbe la lumière des faces avant et arrière. (Avec l'aimable autorisation de l'EMPA.)

Ainsi, le doctorant Shih-Chi Yang du groupe de Romain Carron dans le laboratoire de Tiwari a développé un nouveau procédé de dépôt à basse température qui devrait produire beaucoup moins d'oxyde de gallium nuisible - idéalement pas du tout. Ils ont utilisé une infime quantité d'argent pour abaisser le point de fusion de l'alliage CIGS et obtenir des couches absorbantes avec de bonnes propriétés électroniques à une température de dépôt de seulement 350°C. Lorsqu'ils ont analysé la structure multicouche avec une microscopie électronique à transmission (TEM) à haute résolution, avec l'aide de l'ancien post-doctorant de Tiwari, Tzu-Ying Lin (actuellement à l'Université nationale Tsing Hua à Taiwan), l'équipe n'a pu détecter aucun oxyde de gallium à l'interface du tout.

Viser un rendement énergétique supérieur à 33%

Cela s'est également traduit par une efficacité de conversion d'énergie considérablement améliorée : la cellule a donné des valeurs de 19.8 % pour l'éclairage avant et de 10.9 % pour l'éclairage arrière qui avaient été certifiées de manière indépendante par l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire (ISE) à Fribourg, en Allemagne - en la même cellule sur un substrat de verre.

L'équipe a également réussi à fabriquer, pour la toute première fois, une cellule solaire CIGS bifaciale sur un substrat polymère flexible, qui – en raison de leur légèreté et de leur flexibilité – élargit le spectre des applications potentielles.

Enfin, les chercheurs ont combiné deux technologies photovoltaïques – les cellules solaires CIGS et pérovskite – pour produire une cellule tandem bifaciale.

Selon Tiwari, la technologie CIGS bifaciale a le potentiel de produire des rendements de conversion d'énergie supérieurs à 33 %, ouvrant de nouvelles opportunités pour les cellules solaires à couches minces à l'avenir. Tiwari essaie maintenant d'établir un effort de collaboration avec des laboratoires et des entreprises clés à travers l'Europe pour accélérer le développement de la technologie et sa fabricabilité industrielle à plus grande échelle.

Mots clés: Empa CIGS flexible

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