Un cap franchi pour la cellule solaire tout pérovskite triple jonction
La cellule solaire pérovskite triple jonction à haut rendement change brutalement d’échelle avec le résultat publié par l’équipe de Steve Albrecht au Helmholtz Zentrum Berlin. Pour la première fois, une cellule solaire tout pérovskite à triple jonction atteint un rendement certifié de 27,3 %, positionnant cette architecture parmi les cellules solaires de nouvelle génération réellement compétitives face au silicium industriel. Ce rendement record, obtenu sur des couches minces entièrement à base de matériaux pérovskites, repositionne la technologie sur le marché des panneaux solaires avancés.
Le dispositif repose sur trois cellules pérovskite empilées en série, chaque jonction absorbant une partie différente du spectre solaire pour maximiser la conversion d’énergie photovoltaïque. La cellule arrière utilise une pérovskite étain plomb, tandis qu’une cellule intermédiaire et une cellule frontale plus large bande interagissent comme une cellule tandem interne, ce qui rapproche cette architecture des meilleures cellules tandem pérovskite silicium sans recourir au silicium lui même. On parle ainsi de cellules tandem et de solaires triple tout pérovskite, capables de concurrencer les cellules photovoltaïques en silicium cristallin qui dominent encore le marché des panneaux solaires.
Pour un directeur R&D, l’enjeu dépasse le seul rendement de la cellule solaire et touche directement la compétitivité des futures technologies solaires pérovskite. Une cellule solaire pérovskite triple jonction avec un tel rendement record ouvre la voie à des panneaux solaires plus légers, à base de couches minces, intégrables sur façade ou toiture légère, là où le panneau solaire en silicium reste contraint par sa masse et sa rigidité. Ces cellules solaires de nouvelle génération pourraient ainsi redéfinir le coût complet de l’énergie solaire, en combinant rendement élevé, flexibilité des matériaux et procédés d’impression à bas coût.
L’interface GO/SAM qui remplace le PEDOT:PSS et change la donne
Le cœur de l’innovation ne réside pas seulement dans la structure triple jonction, mais dans l’ingénierie d’interface entre les couches minces de pérovskite et les couches de transport de charges. L’équipe du HZB a remplacé le classique PEDOT:PSS par une bilayer à base de graphène oxyde couplée à une monocouche auto assemblée, une interface GO/SAM qui lisse la morphologie et aligne mieux les niveaux électroniques de la cellule solaire. Cette interface optimisée réduit les recombinaisons non radiatives, ce qui améliore directement le rendement de la cellule et la stabilité des cellules solaires tout pérovskite.
Dans cette architecture, chaque cellule pérovskite joue un rôle précis, et la cellule intermédiaire agit comme un pivot énergétique entre la jonction frontale et la jonction arrière. Les matériaux utilisés pour ces cellules perovskite sont ajustés en composition halogénée et métallique afin de couvrir un spectre solaire large, ce qui rapproche la performance de ces cellules tandem internes des meilleurs couples perovskite silicium sans recourir à une cellule silicium classique. On obtient ainsi des cellules tandem et des cellules photovoltaïques solaires perovskite capables de rivaliser avec les technologies silicium sur le plan du rendement, tout en promettant des coûts de fabrication plus faibles pour chaque panneau solaire produit.
Cette maîtrise des interfaces rappelle les défis rencontrés dans d’autres nanotechnologies pour l’énergie propre, qu’il s’agisse des bétons et revêtements de nouvelle génération ou des isolants nanostructurés utilisés dans le bâtiment, comme le montre l’analyse détaillée sur les bétons et revêtements de nouvelle génération en nanotechnologies. Dans tous ces cas, la performance vient de la façon dont les matériaux et les couches minces dialoguent à l’échelle nanométrique, et la cellule solaire pérovskite triple jonction du HZB illustre parfaitement cette logique. Pour un industriel des panneaux solaires, cela signifie que la valeur se déplace vers la maîtrise des interfaces, des procédés de dépôt et des technologies d’essais in situ, plus que vers la seule optimisation chimique des matériaux.
Stabilité de 770 heures, perspectives industrielles et enjeux de marché
Le second tournant majeur de cette cellule solaire pérovskite triple jonction réside dans la stabilité, avec plus de 90 % du rendement conservé après 770 heures de fonctionnement continu. Jusqu’ici, les cellules solaires pérovskite, qu’elles soient simples, tandem ou solaires triple, butaient sur la dégradation accélérée sous lumière, chaleur et humidité, freinant leur entrée sur le marché des panneaux solaires. Cette démonstration de stabilité place pour la première fois les solaires perovskites tout pérovskite dans une zone où la qualification industrielle devient envisageable, même si l’écart avec la durée de vie des cellules silicium reste important.
Pour un directeur innovation, la question devient stratégique : comment intégrer ces cellules tandem tout pérovskite dans une feuille de route industrielle sans cannibaliser les lignes actuelles de cellules silicium et de panneaux solaires classiques. Les architectures de cellules tandem pérovskite silicium restent aujourd’hui la voie la plus directe pour augmenter le rendement des panneaux solaires existants, mais la perspective de panneaux solaires tout pérovskite, plus légers et potentiellement moins coûteux, rebat les cartes à moyen terme. Les travaux menés à l’EPFL sur les cellules tandem et les cellules photovoltaïques solaires perovskite confirment d’ailleurs cette dynamique, en montrant comment des cellules intermédiaires optimisées peuvent pousser le rendement record vers la barre des 30 %.
Dans ce contexte, la capacité à caractériser en temps réel les interfaces, les couches minces et les dégradations sous contrainte devient un avantage compétitif, comme le détaille l’analyse sur les essais in situ en nanotechnologies pour la R&D. Les industriels qui maîtriseront ces technologies, depuis les cellules perovskite jusqu’aux cellules tandem intégrées dans des panneaux solaires complets, pourront arbitrer entre rendement, coût et durabilité, tout en explorant des applications croisées avec d’autres matériaux avancés, y compris les élastomères techniques présentés dans l’étude sur le polychloroprène et les nouveaux élastomères d’ingénierie. Au final, la cellule solaire pérovskite triple jonction à rendement record du HZB n’est pas seulement un résultat de laboratoire, mais un signal clair que la prochaine génération de technologies solaires perovskites se jouera à l’interface entre science des matériaux, ingénierie de production et stratégie de marché, pas la promesse du labo, mais le nanomètre qui change la donne.
Références expertes
TechXplore ; PV Magazine ; Joule.