Des physiciens de l'ICFO améliorent le rendement des cellules solaires grâce à un film d'argent qui réfléchit la lumière perdue, pouvant dépasser une limite théorique établie de longue date.
Un nouveau matériau améliore le rendement des cellules solaires
À l'Institut des sciences photoniques de Barcelone (ICFO), une équipe de physiciens a remplacé l'électrode transparente d'une cellule solaire organique par un film d'argent de six nanomètres d'épaisseur. Ce miroir partiel renvoie vers l'intérieur de la cellule une partie de la lumière qui s'échappe habituellement, ce qui augmente son rendement.Pertes lumineuses et limites théoriques
Sous le soleil, une cellule solaire absorbe la lumière, mais une petite partie de cette énergie est réémise sous forme d'une faible lueur infrarouge. Vu de la Terre, le soleil occupe une portion très réduite du ciel, et ses rayons frappent donc la cellule selon un cône très étroit. La lueur de la cellule, en revanche, est émise dans presque toutes les directions de l'hémisphère situé au-dessus d'elle.Perte de Boltzmann et plafond de rendement
Les physiciens désignent ce déséquilibre sous le nom de perte de Boltzmann, qui est intégrée au calcul de la limite de Shockley-Queisser. Pour une cellule à jonction unique, ce plafond théorique de rendement est fixé à 33,16 %. En réduisant le cône d'émission de leur prototype, les chercheurs de l'ICFO ont diminué cette perte, longtemps considérée comme inévitable, dans l'espoir de dépasser cette limite.Une alternative aux cellules empilées
Pour dépasser la limite de Shockley-Queisser, les fabricants associent généralement deux matériaux, chacun captant une partie différente du spectre solaire. L'entreprise chinoise Longi a porté en juillet à 35,5 % le record de ses cellules tandem silicium-pérovskite. Ce résultat a été certifié par le laboratoire d'essais solaires du Centre commun de recherche de la Commission européenne.Une conception plus simple pour un meilleur rendement
L'équipe dirigée par Jordi Martorell, professeur à l'ICFO et à l'Université polytechnique de Catalogne, a conservé une seule couche active, un mélange organique PM6:Y6. Sur la face avant de la cellule, les chercheurs ont remplacé l'électrode classique en oxyde d'indium et d'étain par un film d'argent de six nanomètres d'épaisseur, recouvert d'oxyde de tungstène. Entre ce film et l'électrode arrière, également en argent, la couche active est enfermée dans une cavité optique.Résultats expérimentaux et perspectives
Dans leur article, les auteurs présentent également leur méthode comme une alternative aux cellules à jonctions multiples. L'argument est aussi industriel. « La simplicité de conception de la cellule à cavité n'ajoute aucune complexité de fabrication, contrairement à bon nombre des approches actuellement explorées pour dépasser la limite de Shockley-Queisser », souligne Francisco Bernal Texca, premier auteur de l'étude.Contexte de la recherche et améliorations
Francisco Bernal Texca avait consacré un chapitre de sa thèse, soutenue à l'ICFO en novembre 2024, à l'augmentation de la tension d'une cellule en restreignant son émission de photons. Dans les mesures publiées le 3 septembre dans la revue Energy & Environmental Science, le rendement de la meilleure cellule à cavité atteint 19,08 %, contre 18,23 % pour la meilleure cellule de référence dotée d'une électrode en oxyde d'indium et d'étain.Projections théoriques et gains pratiques
Le rendement de 43 % mis en avant par l'ICFO est un calcul théorique. Selon les chercheurs, une cellule à jonction unique pourrait légèrement dépasser ce seuil si son cône d'émission était aussi étroit que celui de la lumière solaire, pour un matériau dont la bande interdite serait de 1,16 électron-volt. TechRadar note qu'il s'agit d'une estimation du potentiel de la méthode, et que les gains observés en laboratoire sont modestes.Applications plus larges et conditions
Jordi Martorell défend néanmoins la course aux points de rendement. « Il est essentiel d'atteindre des rendements plus élevés, car cela se traduit directement par un coût par watt plus faible et une utilisation plus efficace des terrains et des matériaux pour le déploiement de l'énergie solaire », explique le chercheur. Le physicien ajoute que « le principe sous-jacent n'est pas propre aux matériaux organiques et, en principe, est applicable à toutes les technologies photovoltaïques ». Les auteurs de l'étude posent toutefois une condition à cette extension : la fluorescence à l'origine du gain de tension doit se produire à proximité de l'interface entre la couche active et les couches de transport de charges.
