De nombreux chercheurs dans le domaine de l’énergie solaire étudient constamment de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de conception afin d’améliorer l’efficacité et les performances des cellules photovoltaïques. Alors que les cellules au silicium ont un rendement théorique maximal de plus de 30 %, les scientifiques sont impatients d’identifier et de tester d’autres options susceptibles de répondre à la demande d’énergie de manière plus rentable. Des matériaux prometteurs et des innovations en matière de conception sont constamment découverts, de la pérovskite au photovoltaïque organique.
Les cellules solaires à couche mince
Les cellules solaires au silicium sont très répandues, mais les cellules solaires à couche mince sont moins chères et plus simples à produire. En effet, bien qu’elles ne représentent que 4 à 5 % du marché mondial, elles sont généralement moins efficaces que le silicium. Les cellules solaires à couche mince sont fabriquées à partir d’une fine couche de matériau semi-conducteur hautement absorbant appliquée sur un substrat, tel que le verre, le plastique et le métal, à la place des plaquettes de cristal. Il s’agit d’une technique qui permet d’adapter les surfaces et de réduire les coûts. Les cellules à couche mince ont tendance à être partiellement transparentes ou foncées, ce qui donne des modules d’apparence plus uniforme que les modules en silicium cristallin noirs ou bleus. Parmi les cellules à couche mince, la plus efficace a atteint un rendement de 22 %, ce qui est inférieur aux cellules monocristallines au silicium et polycristallines. Actuellement, trois types de cellules solaires photovoltaïques à couche mince sont disponibles sur le marché : CIGS, CdTe et a-Si.
Les nouveaux matériaux solaires
Les technologies liées aux couches minces que les chercheurs étudient sont les suivantes :
Le photovoltaïque organique
Les cellules photovoltaïques organiques ont ouvert un nouveau monde de possibilités dans le domaine des cellules solaires. L’utilisation de composés de carbone solubles traités dans des solutions permet de réduire considérablement les coûts de fabrication des cellules. Les cellules photovoltaïques organiques utilisent des molécules organiques et des polymères pour produire de l’électricité, à l’instar de la technologie utilisée dans les écrans à diodes électroluminescentes organiques. Les matériaux de ce type de cellules peuvent également être personnalisés pour produire différentes couleurs et différents niveaux de transparence, ce qui est important pour le marché des systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments. En mettant l’accent sur l’amélioration de la durée de vie et de l’efficacité des dispositifs, les chercheurs s’efforcent également d’innover pour atténuer les effets visuels du vieillissement.
La pérovskite
Les cellules solaires en pérovskite constituent un ajout prometteur au marché des énergies renouvelables, avec un potentiel impressionnant en termes de facilité et d’efficacité de fabrication. Ce type de cellules à couche mince doivent leur nom à leur structure cristalline ABX3. En fait, les cellules pérovskites sont constituées de couches de matériaux qui peuvent être enduites, déposées ou imprimées sous vide sur un substrat pour créer une cellule solaire. En laboratoire, l’efficacité des cellules solaires pérovskites s’est considérablement améliorée, passant de 4 % en 2010 à plus de 25 % en 2019. Cependant, avant que les cellules photovoltaïques en pérovskite puissent être commercialement viables, elles doivent devenir suffisamment durables et stables pour supporter une utilisation extérieure à long terme.
Les points quantiques
Les points quantiques, qui sont des particules semi-conductrices de seulement une largeur de quelques nanomètres, sont capables de conduire l’électricité. Bien qu’ils constituent une méthode innovante de traitement des semi-conducteurs, il est actuellement difficile d’établir une connexion électrique au sein de ces derniers, ce qui se traduit par des niveaux d’efficacité plus faibles. Les points quantiques peuvent être transformés en cellules solaires à l’aide de différentes méthodes, telles que l’enrobage par centrifugation, la pulvérisation ou l’impression. Ils existent également en différentes tailles, ce qui permet de personnaliser leur bande interdite et de capter davantage de lumière. Les propriétés d’une cellule solaire multijonction peuvent être encore améliorées en incorporant des points quantiques à d’autres semi-conducteurs.
La technologie des cellules solaires multijonctions
Dans leur quête permanente de sources d’énergie solaires, les chercheurs explorent le potentiel des cellules solaires multijonctions. En effet, ce type de cellules est composé de couches empilées de semi-conducteurs, dont chacun absorbe un segment du spectre solaire. La superposition de plusieurs semi-conducteurs améliore l’efficacité de ces cellules par rapport à leurs homologues à simple jonction. En conséquence, la lumière du soleil est utilisée plus efficacement, avec un taux de conversion supérieur à celui des cellules solaires traditionnelles. La technologie des cellules solaires multijonctions constitue une étape cruciale dans l’évolution vers un avenir plus vert et plus durable pour la planète.
La bande interdite d’un semi-conducteur détermine la quantité et la qualité de la lumière absorbée. Cette propriété représente l’énergie nécessaire pour libérer les électrons nécessaires à la conductivité électrique. En cas d’énergie insuffisante, le silicium se comporte comme un isolant. Ainsi, les cellules solaires multijonctions sont capables d’atteindre des niveaux d’efficacité élevés grâce à leur capacité à capter une plus grande quantité de lumière solaire. En effet, les couches des cellules sont conçues pour absorber plusieurs parties du spectre solaire. Par conséquent, un pourcentage plus élevé de l’énergie obtenue à partir de la lumière absorbée est transformé en courant électrique, ce qui réduit la perte d’énergie.
En outre, une cellule solaire photovoltaïque qui contient deux bandes passantes est appelée cellule solaire tandem. Cependant, les cellules solaires multijonction sont des cellules solaires qui ont plusieurs bandes passantes. Par exemple, les cellules solaires multijonctions III-V utilisent des semi-conducteurs des colonnes V et III du tableau périodique. Les cellules solaires à jonctions multiples se sont révélées très efficaces, dépassant les 40 %. Toutefois, en raison de leur coût élevé et de la complexité de leur processus de fabrication, elles sont principalement utilisées pour l’exploration spatiale. Les cellules solaires III-V sont utilisées par l’armée dans les drones, et les scientifiques étudient d’autres applications pour lesquelles un rendement élevé de conversion de l’énergie constitue un élément essentiel.